ximia.org - сайт о химии для химиков
РАЗДЕЛЫ САЙТА
Разная химия
Неорганическая
Органическая
Биологическая
Наглядная биохимия
Токсикологическая

База знаний
Химическая энциклопедия
Справочник по веществам
Таблица Д.И. Менделеева
Гетероциклические соед.
Теплотехника
Углеводы

Партнёры по Химии
Всё об Алхимии

Химия в жизни
Каталог предприятий

Дополнительно
Лекарственные средства Фармацевтический справ.

 
Всё о Химии - Ximia.org

ДИЭЛЕКТРИКИ


Алфавитный указатель: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


ДИЭЛЕКТРИКИ (англ. dielectric, от греч. dia - через, сквозь и англ. electric - электрический), в-ва, обладающие электрич. сопротивлением в пределах 1010 — 1020 Ом.м в постоянном электрич. поле при нормальной т-ре. Согласно зонной теории, твердые Д. при 0 К имеют целиком заполненную и совершенно пустую следующую (выше по энергии) разрешенные зоны, а ширина запрещенной зоны, в отличие от полупроводников, достаточно широка (DE3 / 3 эВ) (см. Твердое тело). Если Д. поместить между пластинами заряженного конденсатора, емкость конденсатора С по сравнению с его емкостью в вакууме С0 увеличится в e раз. Безразмерная величина e наз. диэлектрич. проницаемостью, она всегда больше 1 и зависит от хим. состава и строения Д. Увеличение емкости конденсатора в e раз происходит из-за того, что электрич. поле приводит к поляризации Д., т.е. возникновению электрич. дипольного момента единицы объема в-ва, к-рый направлен вдоль поля и равен векторной сумме диполъных моментов содержащихся в этом объеме частиц (атомов, ионов, молекул). Различают деформационную и ориентационную (тепловую) поляризации. Деформационная поляризация Д. появляется вследствие квазиупругого смещения под действием поля электронных оболочек относительно атомных ядер (электронная поляризация), смещения разноименно заряженных ионов в противоположных направлениях (в ионных кристаллах) или смещения атомов разного типа в молекуле (атомная поляризация). Обычно атомная поляризация составляет 5-15% от электронной. Деформац. поляризация характерна как для неполярных Д., молекулы к-рых не имеют постоянных дипольных моментов, так и для полярных Д.; в неполярных Д. это осн. вид поляризации. Она слабо зависит от т-ры и устанавливается очень быстро (за 10-14—10-12 с). В не слишком сильных полях деформац. поляризация Рд пропорциональна напряженности поля Е. Для изотропных в-в
101_120-7.jpg
где aд - деформац. поляризуемость частиц Д., не зависящая от т-ры и имеющая размерность объема (см. Поляризуемость), NA - постоянная Авогадро. Ориентационная (тепловая) поляризация Д. происходит в полярных Д. из-за ориентации постоянных диполъных моментов молекул или их звеньев вдоль поля. Этот вид поляризации имеет релаксац. характер, т. к. диполи ориентируются в процессе теплового движения за определенное время релаксации t. Значение t зависит от т-ры и мол. структуры в-ва (подробнее см. ниже). Суммарная поляризация 1 моля в-ва РM для неполярных в-в (газов и р-ров в неполярных р-рителях) связана с диэлектрич. проницаемостью e ур-нием Клаузиуса-Моссотти:
101_120-8.jpg
где М - мол. масса в-ва, d - егo плотность. Для полярных Д. справедливо ур-ние Ланжевена - Дебая:
101_120-9.jpg
где k - постоянная Больцмана, Т - т-ра, m - диполъный момент молекулы. Эти ур-ния используют для определения диполъных моментов по зависимости e от 1/Т: по углу наклона находят 4pNAm2/9k, по отрезку, отсекаемому на оси ординат, - дeформац. поляризацию PD = 4/3pNAaDE. В переменном поле каждая из трех составляющих поляризации Д. - электронная, атомная и ориентационная - проявляется в разных областях частотного спектра (рис.).
101_120-10.jpg
B диапазоне частот видимого света существенна только электронная поляризуемость aэ; при этом, как установлено Дж. Максвеллом, e = n2, где n - показатель преломления света. Ур-ние (2) преобразуется в ур-ние Лоренца-Лоренца для молярной рефракции R:
101_120-11.jpg
Комбинируя измерения e в радиодиапазоне и n в видимой области спектра, можно, используя ур-ния (1)-(3), найти значения всех трех составляющих поляризации Д. Рефракция, являясь величиной аддитивной, практически не зависит от т-ры, давления и агрегатного состояния в-ва и используется для хим. анализа газов, жидкостей и их смесей, изучения строения сложных орг. и неорг. молекул (см. Рефрактометрия). Нек-рые кристаллич. Д. обладают самопроизвольной (спонтанной) поляризацией в отсутствие электрич. поля, что связано с достаточно низкой симметрией кристаллов (см. Пироэлектрики). Особая группа пироэлектриков - сегнетоэлектрики, у к-рых величина спонтанной поляризации резко меняется с т-рой и при определенной т-ре исчезает (фазовый переход 2-го рода, см. Кюри точка).
Диэлектрические потери. В переменном электрич. поле ориентация по полю полярных молекул (или полярных звеньев макромолекул) отстает по фазе от вектора напряженности приложенного поля на угол d. В зависимости от соотношения между t и циклич. частотой поля w диэлектрич. проницаемость меняется от e: (при wt >> 1) до e0 (при wt << 1). При wt ~ 1 значение e заметно зависит от частоты и т-ры и наблюдается значит. поглощение энергии поля, к-рая превращается в тепло. Диэлектрич. проницаемость в этом случае характеризуется комплексной величиной e = e' — ie: (i - мнимая единица). Действительная часть e' соответствует диэлектрич. проницаемости Д., мнимая часть e: - коэф. диэлектрич. потерь. Отношение e:/e' = tgd наз. тангенсом угла диэлектрич. потерь; оно численно равно отношению двух составляющих тока, проходящего через заполненный данным Д. конденсатор, - активной и реактивной, или емкостной. Измерение tgd в зависимости от w и т-ры используется для изучения вращат. движений полярных частиц в среде (метод диэлектрич. релаксации). При этом используют ф-лу Дебая:
101_120-12.jpg
При частоте 101_120-13.jpg или при т-ре, соответствующей времени релаксации 101_120-14.jpg, кривая зависимости tgdw (при Т= const) или от T (при w = const) проходит через максимум. Значения tgd зависят от хим. строения Д., мол. структуры (для полимеров - и надмолекулярной структуры), а также от ряда внеш. факторов, напр., давления. Зависимость tgd от T позволяет фиксировать релаксационные и фазовые переходы в в-вах, в частности в полимерах.
Электрическая прочность. При увеличении напряженности поля происходит пробой Д., т. е. Д. разрушается, теряет свои св-ва и превращается в проводник. Миним. напряженность поля Eпр, при к-рой наблюдается пробой Д., наз. электрич. прочностью в-ва. Различают тепловой пробой - из-за разогрева образца проходящим током или из-за диэлектрич. потерь - и внутренний (или истинный) электрич. пробой - в результате лавинной ионизации, вызванной электрич. полем внутри Д. Значение Епр при тепловом пробое зависит от условий теплообмена образца с окружающей средой, т. е. от разности т-р, теплопроводности и уд. теплоемкости, от размеров и формы образца, длительности действия электрич. напряжения. Значение Епр при внутр. пробое определяется гл. обр. строением Д., наличием трещин, примесей и др., если они вызывают перераспределение напряженности поля внутри Д. Длит. воздействие внеш. электрич. поля снижает Епр. Изучение зависимости Епр от Е, Т и др. факторов служит для прогнозирования надежности электрич. изоляции. В таблице сопоставлены диэлектрич. св-ва нек-рых электроизоляц. материалов.
101_120-15.jpg
Применение. Д. применяют в приборостроении, электротехнике, радиотехнике, опто-, микроэлектронной и лазерной технике. В зависимости от назначения различают электроизоляционные (пассивные) и управляемые (активные) Д. В качестве электроизоляц. материалов используют прир. Д. -вакуумное пространство, чистую воду, воздух, др. газы; нефтяные масла (трансформаторное, конденсаторное), др. продукты переработки нефти; лаки на основе льняного и тунгового масел; древесину, изделия на основе целлюлозы (бумагу, картон, ткани), натуральный шелк, каучук, парафины, церезин, минералы (алмаз, кварц, слюда, сера, асбест, мрамор и др.), а также искусств. Д. - полимеры, стекла, ситаллы, сапфир, керамику и др. В зависимости от применения и условий эксплуатации Д. должен обладать совокупностью необходимых мех. св-в: твердостью, гибкостью, эластичностью, большим сопротивлением на разрыв. Электроизоляц. материалы могут подвергаться воздействию высоких или, наоборот, низких т-р, света, влаги, окислителей, жидких нефтепродуктов и т. п. В каждом из этих случаев подбирают Д., обладающие соответствующим строением и физ.-хим. св-вами. В качестве управляемых Д. используют сегнетоэлектрики (титанат бария, ниобат лития, сегнетокерамика и др.). В микроэлектронных устройствах на полупроводниках, в частности больших и сверхбольших интегральных схемах на кремнии и арсениде галлия, используются в качестве как пассивных, так и активных элементов тонкие (0,002-2,0 мкм) аморфные диэлектрич. пленки SiO2, Si3N4, бор- и фосфорсиликатных стекол. Перспективными являются диэлектрич. пленки оксида алюминия, нитридов бора и галлия.
===
Исп. литература для статьи «ДИЭЛЕКТРИКИ»:
Фрёлих Г., Теория диэлектриков, пер. с англ., М., I960; Хиппель А. Р., Диэлектрики и волны, пер. с англ., М., 1960; Пасынков В. В., Материалы электронной техники, М., 1980; Майофис И. М., Химия диэлектриков, М., 1981; Барфут Дж., Тейлор Дж., Полярные диэлектрики и их применения, пер. с англ., М., 1981; Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М., Электротехнические материалы, 7 изд., Л., 1985.
В. И. Белый.

Страница «ДИЭЛЕКТРИКИ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

 

Всё о Химии для учителей, учеников, студентов и просто химиков