Hva er dielektrisk konstant. Dielektrisk konstant for luft som en fysisk størrelse

Relativ dielektrisk konstant miljø ε - dimensjonsløst fysisk mengde, som karakteriserer egenskapene til det isolerende (dielektriske) mediet. Assosiert med effekten av polarisering av dielektrikum under påvirkning elektrisk felt(og med verdien av den dielektriske susceptibiliteten til mediet som karakteriserer denne effekten). Verdien ε viser hvor mange ganger vekselvirkningskraften mellom to elektriske ladninger i et medium er mindre enn i et vakuum. Slektning den dielektriske konstanten luft og de fleste andre gasser i normale forhold nær enhet (på grunn av deres lave tetthet). For de fleste faste eller flytende dielektriske stoffer varierer den relative permittiviteten fra 2 til 8 (for et statisk felt). Den dielektriske konstanten til vann i et statisk felt er ganske høy - omtrent 80. Verdiene er høye for stoffer med molekyler som har en stor elektrisk dipol. Den relative dielektrisitetskonstanten til ferroelektrikk er titalls og hundretusener.

Praktisk bruk

Dielektrisitetskonstanten til dielektrikum er en av hovedparametrene i utformingen av elektriske kondensatorer. Bruken av materialer med høy dielektrisitetskonstant kan redusere betydelig fysiske dimensjoner kondensatorer.

Den dielektriske konstantparameteren tas i betraktning ved utforming av trykte kretskort. Verdien av den dielektriske konstanten til stoffet mellom lagene, i kombinasjon med dens tykkelse, påvirker verdien av den naturlige statiske kapasitansen til kraftlagene, og påvirker også den karakteristiske impedansen til lederne på brettet betydelig.

Frekvensavhengighet

Det skal bemerkes at dielektrisitetskonstanten i stor grad avhenger av frekvensen til det elektriske magnetfelt. Dette bør alltid tas i betraktning siden referansetabeller vanligvis inneholder data for et statisk felt eller lave frekvenser ned til noen få enheter kHz uten å spesifisere denne faktaen. Samtidig finnes det optiske metoder for å oppnå den relative dielektrisitetskonstanten basert på brytningsindeksen ved bruk av ellipsometre og refraktometre. Verdien oppnådd ved den optiske metoden (frekvens 10-14 Hz) vil avvike betydelig fra dataene i tabellene.

Tenk for eksempel på vann. Ved statisk felt (frekvens null) er den relative dielektrisitetskonstanten under normale forhold omtrent 80. Dette er tilfellet ned til infrarøde frekvenser. Starter på omtrent 2 GHz ε r begynner å falle. I det optiske området ε r er ca 1,8. Dette er ganske konsistent med det faktum at i det optiske området er brytningsindeksen til vann 1,33. I et smalt frekvensområde, kalt optisk, faller dielektrisk absorpsjon til null, noe som faktisk gir en person synsmekanismen i jordens atmosfære mettet med vanndamp. Med ytterligere økning i frekvens endres egenskapene til mediet igjen.

Dielektriske konstantverdier for noen stoffer

Substans	Kjemisk formel	Måleforhold	Karakteristisk verdi av ε r
Aluminium	Al	1 kHz	-1300 + 1.3Mal:Ei
Sølv	Ag	1 kHz	-85 + 8Mal:Ei
Vakuum	-	-	1
Luft	-	Normale forhold, 0,9 MHz	1,00058986 ± 0,00000050
Karbondioksid	CO2	Normale forhold	1,0009
Teflon	-	-	2,1
Nylon	-	-	3,2
Polyetylen	[-CH2-CH2-]n	-	2,25
Polystyren	[-CH2-C(C6H5)H-]n	-	2,4-2,7
Gummi	-	-	2,4
Bitumen	-	-	2,5-3,0
Karbondisulfid	CS 2	-	2,6
Parafin	C 18 N 38 − C 35 N 72	-	2,0-3,0
Papir	-	-	2,0-3,5
Elektroaktive polymerer	−	−	2-12
Ebonitt	(C6H9S) 2	−	2,5-3,0
Plexiglass (plexiglass)	-	-	3,5
Kvarts	SiO2	-	3,5-4,5
Silika	SiO2	−	3,9
Bakelitt	-	-	4,5
Betong	−	−	4,5
Porselen	−	−	4,5-4,7
Glass	−	−	4,7 (3,7-10)
Glassfiber FR-4	-	-	4,5-5,2
Getinax	-	-	5-6
Glimmer	-	-	7,5
Gummi	−	−	7
Polycor	98 % Al 2 O 3	-	9,7
Diamant	−	−	5,5-10
Salt	NaCl	−	3-15
Grafitt	C	−	10-15
Keramikk	−	−	10-20
Silisium	Si	−	11.68
Bor	B	−	2.01
Ammoniakk	NH 3	20°C	17
		0 °C	20
		-40 °C	22
		-80 °C	26
Etanol	C2H5OH eller CH3-CH2-OH	−	27
Metanol	CH3OH	−	30
Etylenglykol	HO-CH2-CH2-OH	−	37
Furfural	C5H4O2	−	42

VIRTUELLT LABORATORIEARBEID nr. 3 PÅ

SOLID STATE FYSIKK

Retningslinjer for implementering laboratoriearbeid nr. 3 i seksjonen "Solid State" fysikk for studenter av tekniske spesialiteter av alle studieformer

Krasnoyarsk 2012

Anmelder

Kandidat i fysikalske og matematiske vitenskaper, førsteamanuensis O.N. Bandurina

(Siberian State Aerospace University

oppkalt etter akademiker M.F. Reshetnev)

Publisert etter vedtak fra IKT-metodologisk kommisjon

Bestemmelse av den dielektriske konstanten til halvledere. Virtuelt laboratorieverk nr. 3 om faststofffysikk: Retningslinjer for utførelse av laboratoriearbeid nr. 3 i avsnittet «Solid State» fysikk for tekniske studenter. spesialist. alle former for utdanning / satt sammen av: A.M. Kharkiv; Sib. stat romfart univ. – Krasnoyarsk, 2012. – 21 s.

Sibirsk statlig luftfart

Universitetet oppkalt etter akademikeren M.F. Reshetneva, 2012

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

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

Utarbeidelse av laboratoriearbeid for forsvar…………………………………………………4

Bestemmelse av den dielektriske konstanten til halvledere…………………5

Metodens teori………………………………………………………………………………………………5

Metodikk for måling av dielektrisk konstant …………………..……..11

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

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

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

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

Vedlegg………………………………………………………………………………………………………21

INTRODUKSJON

Data retningslinjer inneholde beskrivelser av laboratoriearbeid hvor virtuelle modeller fra emnet «Fysikk i fast tilstand» brukes.

Opptak til laboratoriearbeid:

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

1) Hver student forbereder først sine personlige notater for dette laboratoriearbeidet;

2) Læreren kontrollerer individuelt formateringen av notatene og stiller spørsmål om teori, måleteknikker, installasjon og behandling av resultater;

3) Eleven svarer spørsmål stilt;

4) Læreren lar eleven jobbe og setter sin signatur på elevens notater.

Utarbeidelse av laboratoriearbeid for forsvar:

Arbeidet, fullt gjennomført og klargjort for forsvar, må oppfylle følgende krav:

Fullføring av alle punkter: alle beregninger av de nødvendige verdiene, alle tabeller fylt med blekk, alle grafer tegnet, etc.

Timeplanene skal tilfredsstille alle kravene til læreren.

For alle verdier i tabeller må den tilsvarende måleenheten skrives.

Konklusjonene for hver graf ble registrert.

Svaret ble skrevet ut i foreskrevet form.

Konklusjoner basert på svaret ble registrert.

BESTEMMELSE AV DELEKTRISKE KONTINUITET AV HALVLEDERE

Teori om metoden

Polarisering er evnen til et dielektrikum til å polarisere under påvirkning av et elektrisk felt, dvs. endre plasseringen av tilkoblede ladede dielektriske partikler i rommet.

Den viktigste egenskapen til dielektrikum er deres evne til å gjennomgå elektrisk polarisering, dvs. under påvirkning av et elektrisk felt skjer en rettet forskyvning av ladede partikler eller molekyler over en begrenset avstand. Under påvirkning av et elektrisk felt forskyves ladninger i både polare og ikke-polare molekyler.

Det er mer enn et dusin forskjellige typer polarisering. La oss se på noen av dem:

1. Elektronisk polarisering er en forskyvning av elektronbaner i forhold til en positivt ladet kjerne. Det forekommer i alle atomer av ethvert stoff, dvs. i all dielektrikum. Elektronisk polarisering etableres innen 10 -15 -10 -14 s.

2. Ionisk polarisering– forskyvning i forhold til hverandre av motsatt ladede ioner i stoffer med ioniske bindinger. Etableringstiden er 10 -13 -10 -12 s. Elektronisk og ionisk polarisering er blant de øyeblikkelige eller deformasjonstypene for polarisering.

3. Dipol eller orienteringspolarisering på grunn av orienteringen av dipolene i retning av det elektriske feltet. Polare dielektriske stoffer har dipolpolarisering. Etableringstiden er 10 -10 -10 -6 s. Dipolpolarisering er en av de langsomme eller avslappende typene av polarisering.

4. Migrasjonspolarisering observert i inhomogen dielektrikum, der elektriske ladninger akkumuleres ved grensen til inhomogenitetsregionen. Prosessene for å etablere migrasjonspolarisering er veldig langsomme og kan foregå over minutter og til og med timer.

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

6. Elektronisk avspenningspolarisering oppstår på grunn av overflødige "defekte" elektroner eller "hull" eksitert av termisk energi. Denne typen polarisering forårsaker som regel en høy dielektrisk konstant.

7. Spontan polarisering– spontan polarisering som oppstår i enkelte stoffer (for eksempel Rochelle-salt) i et visst temperaturområde.

8. Elastisk-dipol polarisering assosiert med elastisk rotasjon av dipoler gjennom små vinkler.

9. Gjenværende polarisering– polarisering som forblir i enkelte stoffer (elektreter) i lang tid etter at det elektriske feltet er fjernet.

10. Resonant polarisering. Hvis frekvensen til det elektriske feltet er nær den naturlige frekvensen av oscillasjoner til dipolene, kan vibrasjonene til molekylene øke, noe som vil føre til utseendet av resonant polarisering i dipoldielektrikken. Resonant polarisering observeres ved frekvenser som ligger i området for infrarødt lys. Et ekte dielektrikum kan samtidig ha flere typer polarisering. Forekomsten av en eller annen type polarisering bestemmes Fysiske og kjemiske egenskaper stoffer og frekvensområdet som brukes.

Hovedparametere:

ε – dielektrisk konstant– et mål på et materiales evne til å polarisere; dette er en størrelse som viser hvor mange ganger vekselvirkningskraften til elektriske ladninger i et gitt materiale er mindre enn i et vakuum. Et felt vises inne i dielektrikumet, rettet motsatt av det eksterne.

Den ytre feltstyrken svekkes sammenlignet med feltet med de samme ladningene i vakuum med ε ganger, hvor ε er den relative dielektriske konstanten.

Hvis vakuumet mellom kondensatorplatene erstattes av et dielektrikum, øker kapasitansen som et resultat av polarisering. Dette er grunnlaget for en enkel definisjon av dielektrisk konstant:

hvor C 0 er kapasitansen til kondensatoren, mellom platene som det er et vakuum av.

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 susceptibiliteten.

D = tan δ – dielektrisk taptangens

Dielektriske tap – tap elektrisk energi, forårsaket av flyten av strømmer i dielektrikum. Det skilles mellom gjennomledningsstrøm I sc.pr, forårsaket av tilstedeværelsen av et lite antall lett mobile ioner i dielektrikum, og polarisasjonsstrømmer. Med elektronisk og ionepolarisering kalles polarisasjonsstrømmen forskyvningsstrømmen I cm den er svært kortvarig og registreres ikke av instrumenter. Strømmer assosiert med langsomme (avslappende) typer polarisering kalles absorpsjonsstrømmer I abs. I det generelle tilfellet er den totale strømmen i dielektrikumet bestemt som: I = I abs + I sk.pr. Etter at polarisering er etablert, vil den totale strømmen være lik: I=I rms. Hvis det i et konstant felt oppstår polarisasjonsstrømmer i det øyeblikket spenningen slås av og på, og den totale strømmen bestemmes i samsvar med ligningen: I = I sk.pr, så oppstår det i et vekselfelt polarisasjonsstrømmer i det øyeblikket endringer i spenningspolariteten. Som et resultat kan tap i dielektrikumet i et vekselfelt være betydelige, spesielt hvis halvsyklusen til den påtrykte spenningen nærmer seg tidspunktet for etablering av polarisering.

I fig. 1(a) viser en krets tilsvarende en kondensator med et dielektrikum plassert i en vekselspenningskrets. I denne kretsen erstattes en kondensator med et ekte dielektrikum, som har tap, med en ideell kondensator C med en parallell aktiv motstand R. I fig. Figur 1(b) viser et vektordiagram over strømmer og spenninger for den aktuelle kretsen, hvor U er spenningen i kretsen; I ak – aktiv strøm; I r - reaktiv strøm, som er 90° foran den aktive komponenten i fase; I ∑ - total strøm. I dette tilfellet: I а =I R =U/R og I р =I C =ωCU, hvor ω er den sirkulære frekvensen til vekselfeltet.

Ris. 1. (a) – diagram; (b) – vektordiagram av strømmer og spenninger

Den dielektriske tapsvinkelen er vinkelen δ, som komplementerer opp til 90° faseforskyvningsvinkelen φ mellom strømmen I ∑ og spenningen U i den kapasitive kretsen. Tap i dielektrikum i et vekselfelt er karakterisert ved den dielektriske tapstangensen: tan δ=I a /I r.

Grenseverdier Tangenten for dielektrisk tap for høyfrekvente dielektriske stoffer bør ikke overstige (0,0001 - 0,0004), og for lavfrekvente dielektrika - (0,01 - 0,02).

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

De dielektriske parametrene til materialer avhenger i varierende grad av temperatur og frekvens. Et stort nummer av dielektriske materialer tillater oss ikke å dekke funksjonene til alle avhengigheter av disse faktorene.

Derfor, i fig. 2 (a, b) skildrer generelle trender som er karakteristiske for noen hovedgrupper, dvs. Typiske avhengigheter av dielektrisitetskonstanten ε av temperatur T (a) og frekvens ω (b) er gitt.

Ris. 2. Frekvensavhengighet av de reelle (εʹ) og imaginære (εʺ) delene av dielektrisitetskonstanten i nærvær av ene

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

(3)

hvor τ er relaksasjonstiden, α 0 er den statistiske orienteringspolariserbarheten. Så, forutsatt at det lokale feltet er likt det eksterne, får vi (i SGS):

Grafer over avhengigheten av εʹ og εʺ på produktet ωτ er vist i fig. 2. Legg merke til at reduksjonen i εʹ (den reelle delen av ε) skjer nær maksimumet av εʺ (den imaginære delen av ε).

Dette endringsforløpet i εʹ og εʺ med frekvens fungerer som et hyppig eksempel på en mer totalresultat, ifølge hvilken εʹ(ω) på frekvens også innebærer avhengighet av εʺ(ω) av frekvens. I SI-systemet bør 4π erstattes med 1/ε 0.

Under påvirkning av et påført felt blir molekyler i et ikke-polart dielektrikum polarisert, og blir dipoler med et indusert dipolmoment μ Og, proporsjonal med feltstyrken:

(5)

I et polart dielektrikum er dipolmomentet til et polart molekyl μ vanligvis lik vektorsummen av sin egen μ 0 og induserte μ Ogøyeblikk:

(6)

Feltstyrkene produsert av disse dipolene er proporsjonale med dipolmomentet og omvendt proporsjonale med kuben til avstanden.

For ikke-polare materialer, vanligvis ε = 2 – 2,5 og er ikke avhengig av frekvens opp til ω ≈10 12 Hz. Avhengigheten av ε av temperatur skyldes det faktum at når den endres, endres de lineære dimensjonene til faste stoffer og volumene av flytende og gassformige dielektrika, noe som endrer antall molekyler n per volumenhet

og avstandene mellom dem. Ved å bruke relasjonene kjent fra teorien om dielektrikk F=n\μ Og Og F=ε 0 (ε - 1)E, Hvor F– polarisering av materialet, for ikke-polare dielektriske stoffer har vi:

(7)

Når E=konst også μ Og= const og temperaturendringen ε​ skyldes kun endringen i n, som er en lineær funksjon av temperaturen Θ, avhengigheten ε = ε(Θ) er også lineær. For polare dielektriske stoffer er det ingen analytiske avhengigheter, og empiriske brukes vanligvis.

1) Når temperaturen øker, øker volumet av dielektrikumet og dielektrisitetskonstanten reduseres litt. Nedgangen i ε er spesielt merkbar i perioden med mykning og smelting av ikke-polare dielektriske stoffer, når volumet deres øker betydelig. Med tanke på høy frekvens sirkulasjon av elektroner i baner (i størrelsesorden 10 15 – 10 16 Hz), tiden for å etablere en likevektstilstand for elektronisk polarisering er svært kort og permeabiliteten ε til ikke-polare dielektrikum er ikke avhengig av feltfrekvensen i de vanlige brukt frekvensområde (opptil 10 12 Hz).

2) Når temperaturen øker, svekkes bindingene mellom individuelle ioner, noe som letter deres interaksjon under påvirkning av et eksternt felt og dette fører til en økning i ionepolarisering og dielektrisk konstant ε. På grunn av den korte tiden det tar å etablere tilstanden til ionepolarisasjon (ca. 10 13 Hz, som tilsvarer den naturlige frekvensen til ionevibrasjoner i krystallgitter) en endring i frekvensen til det ytre feltet i konvensjonelle driftsområder har praktisk talt ingen effekt på verdien av e i ioniske materialer.

3) Dielektrisitetskonstanten til polare dielektriske stoffer avhenger sterkt av temperaturen og frekvensen til det eksterne feltet. Med økende temperatur øker mobiliteten til partikler og energien til interaksjon mellom dem avtar, d.v.s. deres orientering er lettet under påvirkning av et eksternt felt - dipolpolarisasjonen og dielektrisk konstant øker. Imidlertid fortsetter denne prosessen bare opp til en viss temperatur. Med en ytterligere økning i temperaturen synker permeabiliteten ε. Siden orienteringen av dipoler i retning av feltet utføres i prosessen med termisk bevegelse og gjennom termisk bevegelse, krever etablering av polarisering betydelig tid. Denne tiden er så lang at i vekselfelt med høy frekvens rekker ikke dipolene å orientere seg langs feltet, og permeabiliteten ε avtar.

Metodikk for måling av dielektrisk konstant

Kondensatorkapasitet. Kondensator er et system av to ledere (plater) atskilt av et dielektrikum, hvis tykkelse er liten sammenlignet med de lineære dimensjonene til lederne. For eksempel danner to flate metallplater anordnet parallelt og adskilt av et dielektrisk lag en kondensator (fig. 3).

Hvis platene til en flat kondensator er gitt ladninger like store motsatt tegn, da vil den elektriske feltstyrken mellom platene være dobbelt så høy som feltstyrken på én plate:

(8)

hvor ε er dielektrisitetskonstanten til dielektrikumet som fyller rommet mellom platene.

Fysisk mengde bestemt av ladningsforhold q en av kondensatorplatene til potensialforskjellen Δφ mellom kondensatorplatene kalles kapasitansen til kondensatoren:

(9)

SI-enhet for elektrisk kapasitet - Farad(F). En kondensator med en kapasitet på 1 F har en potensialforskjell mellom platene som er lik 1 V når ulik ladning på 1 C blir gitt til platene: 1 F = 1 C/1 V.

Kapasitans til en parallellplatekondensator. Formelen for å beregne den elektriske kapasiteten til en flat kondensator kan fås ved å bruke uttrykk (8). Faktisk er feltstyrken: E= φ/εε 0 = q/εε 0 S, Hvor S– plateareal. Siden feltet er ensartet, er potensialforskjellen mellom platene til kondensatoren lik: φ 1 – φ 2 = Ed = qd/εε 0 S, Hvor d– avstand mellom platene. Ved å erstatte formel (9), får vi et uttrykk for den elektriske kapasiteten til en flat kondensator:

(10)

Hvor ε 0 - luftens dielektriske konstant; S– området til kondensatorplaten, S=hl, Hvor h– platebredde, l- lengden; d– avstand mellom kondensatorplatene.

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

Ris. 3. Kondensator med en dielektrikum plassert i den

Hvis en dielektrisk plate plasseres mellom platene til en kondensator, vil kapasitansen til kondensatoren endres. Muligheten for å plassere en dielektrisk plate mellom kondensatorplatene bør vurderes.

La oss betegne: d c – tykkelsen på luftspalten, d m - tykkelsen på den dielektriske platen, l B er lengden på luftdelen av kondensatoren, l m er lengden på den delen av kondensatoren som er fylt med et dielektrikum, ε m er den dielektriske konstanten til materialet. Vurderer l = l i + l m, a d = d i + d m, kan disse alternativene vurderes i følgende tilfeller:

Når l i = 0, d ved = 0 har vi en kondensator med et solid dielektrikum:

(11)

Fra ligningene til klassisk makroskopisk elektrodynamikk, basert på Maxwells ligninger, følger det at når et dielektrikum er plassert i et svakt vekselfelt, som varierer i henhold til en harmonisk lov med frekvensen ω, har den komplekse permittivitetstensoren formen:

(12)

hvor σ er den optiske ledningsevnen til stoffet, εʹ er den dielektriske konstanten til stoffet, assosiert med polarisasjonen av dielektrikumet. Uttrykk (12) kan reduseres til neste visning:

hvor den imaginære termen er ansvarlig for dielektriske tap.

I praksis måles C - kapasitansen til en prøve formet som en flat kondensator. Denne kondensatoren er preget av den dielektriske tapstangenten:

tgδ=ωCR c (14)

eller kvalitetsfaktor:

Q c =1/ tanδ (15)

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

Ved måling av kapasitans C og dielektrisk tap tangens D = tanδ, brukte dette arbeidet en teknikk utviklet av selskapet GOOD WILL INSTRUMENT Co Ltd. Målingene ble utført på en presisjonsimmittansmåler - LCR-819-RLC. Enheten lar deg måle kapasitans i området 20 pF–2,083 mF, taptangens i området 0,0001–9999 og bruke et forspenningsfelt. Intern forspenning opptil 2 V, ekstern forspenning opp til 30 V. Målenøyaktighet er 0,05 %. Testsignalfrekvens 12 Hz -100 kHz.

I dette arbeidet ble målinger utført med en frekvens på 1 kHz i temperaturområdet 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 temperaturavhengigheter, plasseres cellen med prøven i en strøm av kjølevæske (nitrogen) som føres gjennom en varmeveksler, hvis temperatur er satt av varmeren. Varmeovnens temperatur styres av en termostat. Tilbakemelding fra en temperaturmåler til en termostat lar deg stille inn hastigheten på temperaturmåling eller stabilisere den. Et termoelement brukes til å kontrollere temperaturen. I dette arbeidet endret temperaturen seg med en hastighet på 1 grad/min. Denne metoden lar deg måle temperatur med en feil på 0,1 grader.

Målecellen med prøven festet til den plasseres i en strømningskryostat. Cellen er koblet til LCR-måleren med skjermede ledninger gjennom en kobling i kryostathetten. Kryostaten er plassert mellom polene til FL-1 elektromagneten. Magnetstrømforsyningen lar deg oppnå magnetiske felt på opptil 15 kOe. For å måle magnetfeltstyrken H brukes en termisk stabilisert Hall-sensor med elektronikkenhet. For å stabilisere magnetfeltet er det tilbakemelding mellom strømforsyningen og magnetfeltmåleren.

De målte verdiene av kapasitans C og taptangens D = tan δ er relatert til verdiene til de ønskede fysiske størrelsene εʹ og εʺ ved følgende relasjoner:

(16)

(17)

№	C(pF)	Re(ε’)	T (°K)	tan δ	Q c	Im(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 nr. 1. Gd x Mn 1-x S, (x=0,1).

Dielektrisḱ kjemisk penetrasjoń kapasitet medium - en fysisk mengde som karakteriserer egenskapene til et isolerende (dielektrisk) medium og viser avhengigheten av elektrisk induksjon på den elektriske feltstyrken.

Det bestemmes av effekten av polarisering av dielektrikum under påvirkning av et elektrisk felt (og med verdien av den dielektriske følsomheten til mediet som karakteriserer denne effekten).

Det er relative og absolutte dielektriske konstanter.

Den relative dielektriske konstanten ε er dimensjonsløs og viser hvor mange ganger vekselvirkningskraften mellom to elektriske ladninger i et medium er mindre enn i et vakuum. Denne verdien for luft og de fleste andre gasser under normale forhold er nær enhet (på grunn av deres lave tetthet). For de fleste faste eller flytende dielektrika varierer den relative permittiviteten fra 2 til 8 (for et statisk felt). Den dielektriske konstanten til vann i et statisk felt er ganske høy - omtrent 80. Verdiene er store for stoffer med molekyler som har et stort elektrisk dipolmoment. Den relative dielektriske konstanten til ferroelektriske stoffer er titalls og hundretusener.

Den absolutte dielektrisitetskonstanten i utenlandsk litteratur er betegnet med bokstaven ε i innenlandsk litteratur, kombinasjonen brukes hovedsakelig, hvor er den elektriske konstanten. Absolutt dielektrisk konstant brukes bare i International System of Units (SI), der induksjon og elektrisk feltstyrke måles i forskjellige enheter. I SGS-systemet er det ikke nødvendig å innføre absolutt dielektrisk konstant. Den absolutte dielektriske konstanten (som den elektriske konstanten) har dimensjonen L −3 M −1 T 4 I². I International System of Units (SI) enheter: =F/m.

Det skal bemerkes at dielektrisitetskonstanten i stor grad avhenger av frekvensen til det elektromagnetiske feltet. Dette bør alltid tas i betraktning, siden referansetabeller vanligvis inneholder data for et statisk felt eller lave frekvenser ned til noen få enheter kHz uten å indikere dette. Samtidig finnes det optiske metoder for å oppnå den relative dielektrisitetskonstanten basert på brytningsindeksen ved bruk av ellipsometre og refraktometre. Verdien oppnådd ved den optiske metoden (frekvens 10-14 Hz) vil avvike betydelig fra dataene i tabellene.

Tenk for eksempel på vann. Ved statisk felt (frekvens null) er den relative dielektrisitetskonstanten under normale forhold omtrent 80. Dette er tilfellet ned til infrarøde frekvenser. Starter på omtrent 2 GHz ε r begynner å falle. I det optiske området ε r er ca 1,8. Dette er ganske konsistent med det faktum at i det optiske området er brytningsindeksen til vann 1,33. I et smalt frekvensområde, kalt optisk, faller dielektrisk absorpsjon til null, noe som faktisk gir en person synsmekanismen [ kilde ikke spesifisert 1252 dager] i jordens atmosfære mettet med vanndamp. Med ytterligere økning i frekvens endres egenskapene til mediet igjen. Du kan lese om oppførselen til den relative dielektriske konstanten til vann i frekvensområdet fra 0 til 10 12 (infrarødt område) på (engelsk)

Dielektrisitetskonstanten til dielektrikum er en av hovedparametrene i utviklingen av elektriske kondensatorer. Bruken av materialer med høy dielektrisk konstant kan redusere de fysiske dimensjonene til kondensatorene betydelig.

Kapasitansen til kondensatorene bestemmes:

Hvor ε r- dielektrisk konstant for stoffet mellom platene, ε O- elektrisk konstant, S- området til kondensatorplatene, d- avstand mellom platene.

Parameteren dielektrisk konstant tas i betraktning ved utvikling av trykte kretskort. Verdien av den dielektriske konstanten til stoffet mellom lagene, i kombinasjon med dens tykkelse, påvirker verdien av den naturlige statiske kapasitansen til kraftlagene, og påvirker også den karakteristiske impedansen til lederne på brettet betydelig.

MOTSTAND elektrisk, fysisk mengde lik elektrisk motstand ( cm. ELEKTRISK MOTSTAND) R av en sylindrisk leder av enhetslengde (l = 1 m) og enhets tverrsnittsareal (S = 1 m 2).. r = R S/l. I Si er enheten for resistivitet Ohm. m. Resistivitet kan også uttrykkes i ohm. cm Resistivitet er en egenskap ved materialet som strømmen går gjennom og avhenger av materialet det er laget av. Resistivitet lik r = 1 Ohm. m betyr at en sylindrisk leder laget av av dette materialet, lengde l = 1 m og med et tverrsnittsareal S = 1 m 2 har en motstand R = 1 Ohm. m. Verdien av resistiviteten til metaller ( cm. METALLER), som er gode dirigenter ( cm. DIRIGENTER), kan ha verdier i størrelsesorden 10 - 8 - 10 - 6 Ohm. m (for eksempel kobber, sølv, jern, etc.). Resistiviteten til noen faste dielektriske stoffer ( cm. DELEKTRIKK) kan nå en verdi på 10 16 -10 18 Ohm.m (for eksempel kvartsglass, polyetylen, elektroporselen, etc.). Resistivitetsverdien til mange materialer (spesielt halvledermaterialer ( cm. HALVLEDEREN MATERIALER)) avhenger betydelig av graden av deres rensing, tilstedeværelsen av legeringsadditiver, termiske og mekaniske behandlinger, etc. Verdien s, den gjensidige av resistiviteten, kalles ledningsevne: s = 1/r Spesifikk ledningsevne måles i siemens ( cm. SIEMENS (konduktivitetsenhet)) per meter S/m. Elektrisk resistivitet (konduktivitet) er en skalar størrelse for et isotropt stoff; og tensor - for et anisotropt stoff. I anisotrope enkeltkrystaller er anisotropien til elektrisk ledningsevne en konsekvens av anisotropien til den inverse effektive massen ( cm. EFFEKTIV MASSE) elektroner og hull.

1-6. ELEKTRISK LEDNING AV ISOLASJON

Når du slår på isolasjonen til en kabel eller ledning konstant trykk U en strøm i går gjennom den, varierende med tiden (fig. 1-3). Denne strømmen har konstante komponenter - ledningsstrøm (i ∞) og absorpsjonsstrøm, hvor γ er ledningsevnen som tilsvarer absorpsjonsstrømmen; T er tiden da strømmen i abs faller til 1/e av sin opprinnelige verdi. I uendelig lang tid i abs →0 og i = i ∞. Den elektriske ledningsevnen til dielektriske stoffer forklares av tilstedeværelsen i dem av en viss mengde gratis ladede partikler: ioner og elektroner.

Den mest karakteristiske egenskapen til de fleste elektriske isolasjonsmaterialer er ionisk elektrisk ledningsevne, som er mulig på grunn av forurensninger som uunngåelig er tilstede i isolasjonen (forurensninger av fuktighet, salter, alkalier, etc.). I et dielektrikum med en ionisk ledningsevne overholdes Faradays lov strengt - proporsjonaliteten mellom mengden elektrisitet som passerer gjennom isolasjonen og mengden stoff som frigjøres under elektrolyse.

Når temperaturen øker, reduseres resistiviteten til elektriske isolasjonsmaterialer og karakteriseres av formelen

hvor_ρ o, A og B er konstanter for et gitt materiale; T - temperatur, °K.

En større avhengighet av isolasjonsmotstand på fuktighet oppstår med hygroskopiske isolasjonsmaterialer, hovedsakelig fibrøse (papir, bomullsgarn, etc.). Derfor tørkes og impregneres fibrøse materialer, samt beskyttes av fuktbestandige skall.

Isolasjonsmotstanden kan avta med økende spenning på grunn av dannelse av romladninger i isolasjonsmaterialene. Den ekstra elektroniske ledningsevnen som skapes i dette tilfellet fører til en økning i elektrisk ledningsevne. Det er en avhengighet av ledningsevne på spenning i veldig sterke felt (Ya. I. Frenkels lov):

hvor γ o - ledningsevne i svake felt; a er konstant. Alle elektriske isolasjonsmaterialer er preget av visse verdier for isolasjonsledningsevne G. Ideelt sett er ledningsevnen til isolasjonsmaterialer null. For ekte isolasjonsmaterialer bestemmes ledningsevnen per enhet kabellengde av formelen

I kabler med en isolasjonsmotstand på mer enn 3-10 11 ohm-m og kommunikasjonskabler, hvor dielektriske polarisasjonstap er betydelig større enn termiske tap, bestemmes ledningsevnen av formelen

Isolasjonsledningsevne i kommunikasjonsteknologi er en elektrisk parameter for en linje som karakteriserer energitap i isolasjonen av kabelkjerner. Avhengigheten av konduktivitetsverdien av frekvens er vist i fig. 1-1. Den gjensidige konduktiviteten, isolasjonsmotstanden, er forholdet mellom likespenningen som påføres isolasjonen (i volt) og lekkasjespenningen (i ampere), dvs.

hvor RV er den volumetriske isolasjonsmotstanden, som numerisk bestemmer hindringen som skapes av strømgjennomgang gjennom tykkelsen av isolasjonen; R S - overflatemotstand, som bestemmer hindringen for passering av strøm langs isolasjonsoverflaten.

En praktisk vurdering av kvaliteten på isolasjonsmaterialene som brukes er den spesifikke volumetriske motstanden ρ V uttrykt i ohm-centimeter (ohm*cm). Numerisk er ρ V lik motstanden (i ohm) til en terning med en 1 cm kant laget av et gitt materiale, hvis strømmen går gjennom to motsatte flater av kuben. Spesifikk overflatemotstand ρ S er numerisk lik overflatemotstanden til kvadratet (i ohm) hvis det tilføres strøm til elektrodene som avgrenser to motsatte sider av dette kvadratet.

Isolasjonsmotstanden til en enkjernet kabel eller ledning bestemmes av formelen

Fuktighetsegenskaper til dielektriske stoffer

Fuktighetsbestandighet - dette er påliteligheten til isolasjonen når den er i en atmosfære av vanndamp nær metning. Fuktighetsbestandighet vurderes ved endringer i elektriske, mekaniske og andre fysiske egenskaper etter at materialet er i en atmosfære med høy og høy luftfuktighet; på fuktighet og vannpermeabilitet; på fukt- og vannopptak.

Fuktighetspermeabilitet – et materiales evne til å overføre fuktighetsdamp i nærvær av en forskjell i relativ luftfuktighet på begge sider av materialet.

Fuktighetsabsorpsjon - et materiales evne til å absorbere vann når det eksponeres over lengre tid i en fuktig atmosfære nær en metningstilstand.

Vannabsorpsjon - et materiales evne til å absorbere vann når det er nedsenket i vann i lang tid.

Tropisk motstand og tropisering utstyr – beskyttelse av elektrisk utstyr mot fuktighet, mugg, gnagere.

Termiske egenskaper til dielektriske stoffer

For å karakterisere de termiske egenskapene til dielektriske stoffer, brukes følgende mengder.

Varme motstand– evnen til elektriske isolasjonsmaterialer og produkter til å tåle høye temperaturer og plutselige temperaturendringer uten å skade dem. Bestemt av temperaturen ved hvilken en betydelig endring i mekaniske og elektriske egenskaper observeres, for eksempel begynner strekk- eller bøyedeformasjon under belastning i organiske dielektriske stoffer.

Termisk ledningsevne– prosessen med varmeoverføring i et materiale. Den er preget av en eksperimentelt bestemt varmeledningskoeffisient λ t er mengden varme som overføres i løpet av ett sekund gjennom et lag av materiale 1 m tykt og et overflateareal på 1 m 2 med en temperaturforskjell mellom overflatene til. laget på 1 °K. Den termiske konduktivitetskoeffisienten til dielektriske stoffer varierer over et bredt område. De laveste verdiene av λ t har gasser, porøse dielektrika og væsker (for luft λ t = 0,025 W/(m K), for vann λ t = 0,58 W/(m K)), høye verdier har krystallinsk dielektrikum (for krystallinsk kvarts λ t = 12,5 W/(m K)). Den termiske konduktivitetskoeffisienten til dielektriske stoffer avhenger av deres struktur (for smeltet kvarts λ t = 1,25 W/(m K)) og temperatur.

Termisk ekspansjon dielektrikum vurderes ved temperaturkoeffisienten for lineær ekspansjon: . Materialer med lav termisk ekspansjon har som regel høyere varmebestandighet og omvendt. Den termiske ekspansjonen av organiske dielektriske stoffer overstiger betydelig (tivis og hundrevis av ganger) utvidelsen av uorganiske dielektriske stoffer. Derfor er dimensjonsstabiliteten til deler laget av uorganisk dielektrikum under temperatursvingninger betydelig høyere sammenlignet med organiske.

1. Absorpsjonsstrømmer

Absorpsjonsstrømmer er forskyvningsstrømmer av forskjellige typer langsom polarisering. Absorpsjonsstrømmer ved en konstant spenning flyter i dielektrikumet til en likevektstilstand er etablert, og endrer retning når spenningen slås på og av. Med en vekselspenning flyter absorpsjonsstrømmer under hele tiden dielektrikumet er i det elektriske feltet.

Generelt elektrisitet j i et dielektrikum er summen av gjennomstrømmen j sk og absorpsjonsstrøm j ab

j = j sk + j ab.

Absorpsjonsstrømmen kan bestemmes gjennom forspenningsstrømmen j cm - endringshastighet for den elektriske induksjonsvektoren D

Gjennomstrømmingen bestemmes av overføringen (bevegelsen) av ulike ladningsbærere i det elektriske feltet.

2. Elektronisk elektrisk ledningsevne er preget av bevegelse av elektroner under påvirkning av et felt. I tillegg til metaller er det tilstede i karbon, metalloksider, sulfider og andre stoffer, samt i mange halvledere.

3. Ionisk – forårsaket av bevegelser av ioner. Det observeres i løsninger og smelter av elektrolytter - salter, syrer, alkalier, så vel som i mange dielektriske stoffer. Den er delt inn i indre og urenhetsledningsevne. Indre ledningsevne skyldes bevegelsen av ioner oppnådd under dissosiasjon molekyler. Bevegelsen av ioner i et elektrisk felt er ledsaget av elektrolyse – overføring av et stoff mellom elektrodene og frigjøring på elektrodene. Polare væsker er mer dissosiert og har større elektrisk ledningsevne enn ikke-polare væsker.

I ikke-polare og svakt polare flytende dielektriske stoffer (mineraloljer, silikonvæsker) bestemmes elektrisk ledningsevne av urenheter.

4. Molion elektrisk ledningsevne – forårsaket av bevegelse av ladede partikler kalt molioner. Det observeres i kolloidale systemer, emulsjoner , suspensjoner . Bevegelsen av molioner under påvirkning av et elektrisk felt kalles elektroforese. Under elektroforese, i motsetning til elektrolyse, dannes ingen nye stoffer den relative konsentrasjonen av den dispergerte fasen i forskjellige lag av væsken. Elektroforetisk ledningsevne observeres for eksempel i oljer som inneholder emulgert vann.

Nivået av polariserbarhet av et stoff er preget av en spesiell verdi kalt dielektrisk konstant. La oss vurdere hva denne verdien er.

La oss anta at intensiteten til et jevnt felt mellom to ladede plater i et vakuum er lik E₀. La oss nå fylle gapet mellom dem med et hvilket som helst dielektrikum. som vises ved grensen mellom dielektrikumet og lederen på grunn av polarisasjonen, nøytraliserer delvis effekten av ladninger på platene. Spenning E av dette feltet spenningen E₀ vil bli mindre.

Erfaring viser at når gapet mellom platene sekvensielt fylles med like dielektrikum, vil feltstyrkene være forskjellige. Ved å kjenne verdien av forholdet mellom den elektriske feltstyrken mellom platene i fravær av dielektrisk E 0 og i nærvær av dielektrisk E, kan man derfor bestemme polariserbarheten, dvs. dens dielektriske konstant. Denne mengden er vanligvis angitt Gresk bokstavԑ (epsilon). Derfor kan vi skrive:

Dielektrisk konstant viser hvor mange ganger mindre av disse ladningene i et dielektrikum (homogent) vil være enn i et vakuum.

Nedgangen i kraften til interaksjon mellom ladninger er forårsaket av prosesser for polarisering av mediet. I et elektrisk felt reduseres elektroner i atomer og molekyler i forhold til ioner, og d.v.s. vises. de molekylene som har sitt eget dipolmoment (spesielt vannmolekyler) er orientert i det elektriske feltet. Disse øyeblikkene skaper sitt eget elektriske felt, og motvirker feltet som forårsaket deres utseende. Som et resultat avtar det totale elektriske feltet. I små felt er dette fenomenet beskrevet ved å bruke begrepet dielektrisk konstant.

Nedenfor er dielektrisitetskonstanten i vakuum ulike stoffer:

Luft………………………………....1,0006

Parafin ………………………………… 2

Plexiglass (plexiglass)...3-4

Ebonitt………………………………..…4

Porselen…………………………………………7

Glass………………………..…….4-7

Glimmer…………………………………..….4-5

Natursilke............4-5

Skifer........................6-7

Amber………………12.8

Vann……………………………………………….81

Disse verdiene av den dielektriske konstanten til stoffer refererer til omgivelsestemperaturer i området 18–20 °C. Altså dielektrisk konstant faste stoffer endres litt med temperaturen, med unntak av ferroelektrikk.

Tvert imot, for gasser synker den på grunn av en økning i temperaturen og øker på grunn av en økning i trykket. I praksis tas det som en.

Urenheter i små mengder har liten effekt på nivået av dielektrisitetskonstanten til væsker.

Hvis to vilkårlige punktladninger plasseres i et dielektrikum, reduseres feltstyrken som skapes av hver av disse ladningene på stedet for den andre ladningen med ԑ ganger. Det følger av dette at kraften som disse ladningene samhandler med hverandre også er ԑ ganger mindre. Derfor, for ladninger plassert i et dielektrikum, uttrykkes det med formelen:

F = (q₁q₂)/(4πԑₐr²),

hvor F er vekselvirkningskraften, q₁ og q₂ er størrelsen på ladningene, ԑ er den absolutte dielektriske konstanten til mediet, r er avstanden mellom punktladninger.

Verdien av ԑ kan vises numerisk i relative enheter (i forhold til verdien av den absolutte dielektriske permittiviteten til vakuum ԑ₀). Verdien ԑ = ԑₐ/ԑ₀ kalles den relative dielektriske konstanten. Den avslører hvor mange ganger samspillet mellom ladninger i et uendelig homogent medium er svakere enn i et vakuum; ԑ = ԑₐ/ԑ₀ kalles ofte kompleks dielektrisk konstant. Den numeriske verdien av mengden ԑ₀, så vel som dens dimensjon, avhenger av hvilket system av enheter som er valgt; og verdien av ԑ - avhenger ikke. Så, i SGSE-systemet ԑ₀ = 1 (denne fjerde grunnleggende enheten); i SI-systemet uttrykkes den dielektriske konstanten for vakuum:

ԑ₀ = 1/(4π˖9˖10⁹) farad/meter = 8,85˖10⁻¹² f/m (i dette systemet er ԑ₀ en utledet mengde).

Den dielektriske konstanten- Dette er en av hovedparametrene som karakteriserer de elektriske egenskapene til dielektrikum. Det avgjør med andre ord hvor god en isolator et bestemt materiale er.

Den dielektriske konstantverdien viser avhengigheten av den elektriske induksjonen i dielektrikumet av den elektriske feltstyrken som virker på den. Dessuten påvirkes verdien ikke bare fysiske egenskaper selve materialet eller mediet, men også frekvensen til feltet. Som regel angir oppslagsverk den målte verdien for et statisk eller lavfrekvent felt.

Det er to typer dielektrisk konstant: absolutt og relativ.

Relativ dielektrisk konstant viser forholdet mellom de isolerende (dielektriske) egenskapene til materialet som studeres og lignende egenskaper til vakuum. Det karakteriserer de isolerende egenskapene til et stoff i gassformig, flytende eller fast tilstand. Det vil si at den kan brukes på nesten all dielektrikum. Verdien av den relative dielektriske konstanten for stoffer i gassform er som regel i området 1. For væsker og faste stoffer kan den være i et veldig bredt område - fra 2 og nesten til uendelig.

For eksempel relativ dielektrisk konstant ferskvann er lik 80, og for ferroelektrikk – titalls eller til og med hundrevis av enheter, avhengig av materialets egenskaper.

Absolutt dielektrisk konstant er en konstant verdi. Det karakteriserer de isolerende egenskapene til et bestemt stoff eller materiale, uavhengig av plasseringen og eksterne faktorer som påvirker det.

Bruk

Dielektrisk konstant, eller snarere dens verdier, brukes i utvikling og design av nye elektroniske komponenter, spesielt kondensatorer. Fremtidige størrelser og elektriske egenskaper komponent. Denne verdien tas også i betraktning når man utvikler helhet elektriske diagrammer(spesielt innen høyfrekvent elektronikk) og til og med