Лекция 4. Диэлектрики. Виды поляризации. Потери в диэлектриках

• Рассматриваются диэлектрики, виды поляризации и потери в диэлектриках.  

• Обсуждается тангенс угла диэлектрических потерь tgδ.  

• Приведены параллельная и последовательная схемы замещения диэлектрика.  

• Напоминается, как получить значения мнимой и действительной частей комплексной диэлектрической проницаемости.  

• Для неполярных диэлектриков поляризация связана с электронными оболочками.  

• Пример неполярного диэлектрика: полиэтилен.  

• Полиэтилен используется в производстве пленок, пакетов и труб.  

• Около 8-10% полиэтилена идет на изоляцию проводов и кабелей.  

• Полимеры с дипольными моментами, такими как хлор, становятся полярными.  

• Примеры полярных полимеров: полистирол, полипропилен, поливинилхлорид ПВХ.  

• ПВХ становится полярным из-за большого дипольного момента хлора.  

• Полярные полимеры могут изменять структуру молекул в переменных электрических полях.  

• Пример изменения дипольного момента при смещении боковых цепей.  

• Резонансный максимум может зависеть от температуры.  

• Для полярных полимеров зависимость диэлектрической проницаемости от частоты сложна.  

• Пример для поливинилхлорида: эпсилон штрих имеет ярко выраженный максимум.  

• В лабораторных работах используются низкие температуры, что объясняет стабильные графики.  

• Неполярные полимеры имеют смещение упругих электронных оболочек.  

• Пример: атом водорода и его колебания вокруг ядра.  

• Теоретические зависимости тангенса угла диэлектрических потерь для различных диэлектриков.  

• Примеры неполярных диэлектриков: метан, водород.  

• Полярные диэлектрики: натрий-хлор и вода.  

• Вода уменьшает силу взаимодействия между натрий-хлором, что приводит к растворению солей.  

• Полярные диэлектрики имеют диполи, что влияет на их свойства.  

• В переменных полях диполи могут притягиваться или отталкиваться.  

• Полярные диэлектрики имеют максимумы в зависимости от резонанса диполей.  

• Неполярные диэлектрики не имеют диполей и их свойства проще.  

• Их можно аппроксимировать прямой линией.  

• Хлор в неполярных диэлектриках увеличивает дипольный момент и потери.  

• Тангенс дельта неполярных диэлектриков определяется косвенно.  

• Поляризация в неполярных диэлектриках зависит от частоты.  

• Современные методы используют квантово-механические расчеты.  

• Основные виды поляризации: электронная, ионная, дипольная, миграционная.  

• Поляризация смещения и деформационная поляризация.  

• Все виды поляризации действуют на разных частотах.  

• Энергия организации атома водорода составляет 13.6 эВ.  

• Переходы электронов происходят на разных частотах.  

• Ультрафиолетовая область связана с переходами на 13.6 эВ.  

• Лазерные лучи могут поглощаться в атмосфере.  

• Молекулы воды и других веществ имеют собственные частоты колебаний.  

• Поглощение происходит из-за резонансных потерь.  

• Резонансные потери важны для лазеров в инфракрасной области.  

• Поглощение происходит из-за колебаний молекул.  

• Лазеры должны работать на определенных частотах, чтобы избежать поглощения.  

• Потери в диэлектриках включают электропроводность, релокационные и ионизационные потери.  

• Ионизация может происходить в воздушных включениях.  

• Эти потери влияют на свойства диэлектриков.  

• Вкрапления металла ухудшают характеристики радиоэлектрика.  

• График показывает, что характеристики совпадают с формулой для абсолютно черного цвета.  

• Солнечная радиация и полярные молекулы влияют на поглощение.  

• Внутреннее строение диэлектриков формирует свое поле.  

• Плотность электронных облаков в кристалле влияет на потенциал.  

• Поля внутри кристалла зависят от расположения атомов.  

• Размеры кристаллической ячейки составляют 0.28 микрона.  

• Структура бета-селита отличается от алмазной.  

• Микрополя можно вычислить по уравнению Максвелла.  

• Внешние источники создают поле, проникающее в диэлектрик.  

• Внутрикастолическое поле зависит от ближайшего окружения.  

• Можно выделить три составляющие поля: вне сферы, внутри сферы и внешнее поле.  

• Интегральное преобразование используется для определения локального поля.  

• Локальное поле внутри диэлектрика можно найти с помощью теоремы Гаусса.  

• Это позволяет определить поляризуемость и резонансные явления.  

• Зависимость поляризуемости от частоты показывает затухание колебаний.  

• Без потерь колебания могут уйти в отрицательную область.  

• Модуль поляризуемости всегда больше единицы.  

• Атомные колебания влияют на работу полупроводниковых приборов.  

• Частоты колебаний можно связать с частотами фононов.  

• Эти частоты влияют на энергетические переходы в кремнии.  

• Уравнение Максвелла применимо во всем диапазоне частот.  

• Показатель преломления и поглощение связаны с отражением.  

• Теория диэлектриков применима к спектрам фононов в кристаллах.  

• Резонансные колебания определяют собственную частоту и поляризацию.  

• Потери связаны с внутренним трением и зависят от скорости перемещения ионов.  

• Показатель преломления и поглощения можно связать с частотами колебаний.  

• Рассматриваются эффекты, связанные с тепловой и прыжковой поляризацией.  

• В диэлектрике могут быть области с разным количеством положительных и отрицательных зарядов.  

• Тепловые флуктуации заставляют ионы перемещаться внутри кристаллической решетки.  

• Внешнее электрическое поле заставляет ионы перепрыгивать на другие позиции.  

• Ионы могут просачиваться сквозь решетку, преодолевая потенциальные барьеры.  

• Это приводит к сквозной электропроводности и поляризации.  

• Процесс напоминает химическую реакцию первого порядка.  

• Система переходит из состояния А в состояние Б, преодолевая потенциальный барьер.  

• Это приводит к поляризации и потерям.  

• Процесс описывается уравнением Аррениуса.  

• Энергия активации не связана с запрещенной зоной полупроводника.  

• Время релаксации может быть значительным, что влияет на радиочастоты.  

• Поляризация может быть тепловой или дипольно-релаксационной.  

• Тепловая поляризация происходит по экспоненте, дипольно-релаксационная — по закону колебаний.  

• Эти виды поляризации имеют разные характеристики и поведение.  

• Рассматриваются различные материалы, такие как вода, алмаз, стекло и полиэтилен.  

• Полупроводники также имеют свои особенности.  

• Кварц используется для стабилизации чистоты в различных устройствах.  

• Композиционные материалы включают различные фазы с четкими границами.  

• Примеры: керамика, глина, фольгированный текстолит.  

• Эти материалы могут иметь упорядоченные или неупорядоченные структуры.  

• Рассматривается двухслойный конденсатор с разными слоями материалов.  

• На границе раздела фаз скапливаются поляризационные заряды.  

• Это может влиять на работоспособность изделия.