Диэлектрик
-
Диэлектрики и их свойства
- Диэлектрик — это электрический изолятор, который поляризуется под действием электрического поля.
- Поляризация диэлектрика уменьшает общее поле внутри материала.
- Диэлектрики важны для электроники, оптики и биофизики.
-
Терминология и определения
- Изолятор — материал с низкой электропроводностью.
- Диэлектрик — материал с высокой поляризуемостью.
- Электрическая восприимчивость — показатель поляризуемости материала.
-
Электрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость
- Электрическая восприимчивость связана с диэлектрической проницаемостью.
- Восприимчивость определяет диэлектрическую проницаемость и влияет на другие явления.
- В вакууме восприимчивость равна нулю.
-
Дисперсия и причинно-следственная связь
- Поляризация зависит от времени и частоты.
- Восприимчивость зависит от частоты, что характеризует дисперсионные свойства материала.
- Поляризация зависит только от электрического поля в предыдущие моменты времени.
-
Поляризация диэлектрика
- Диэлектрик состоит из атомов с облаком отрицательных зарядов.
- Электрическое поле искажает облако заряда, создавая дипольный момент.
- Время релаксации определяет поведение диэлектрика.
-
Моделирование диэлектриков
- Поведение диэлектрика зависит от типа электрического поля и материала.
- Функция F определяет зависимость между электрическим полем и дипольным моментом.
- Примеры явлений, моделируемых диэлектриками: коэффициент преломления, дисперсия групповой скорости, двойное лучепреломление и другие.
-
Дипольная поляризация
- При приложении внешнего электрического поля диполи вращаются, теряя чувствительность на высоких частотах.
- Молекулы вращаются на 1 радиан за пикосекунду, что приводит к потере чувствительности при частоте около 1011 Гц.
- Задержка реакции на изменение поля приводит к трению и нагреву.
-
Ионная поляризация
- Ионная поляризация вызвана относительными смещениями ионов в ионных кристаллах.
- Ионная поляризация вызывает сегнетоэлектрический эффект и дипольную поляризацию.
- В биологических клетках ионная поляризация обеспечивает выработку энергии и транспорт ионов.
-
Диэлектрическая дисперсия
- Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты приложенного электрического поля.
- Дипольная поляризация теряет чувствительность в микроволновом диапазоне, ионная поляризация и молекулярные искажения — в инфракрасном диапазоне, электронная поляризация — в ультрафиолетовом диапазоне.
- В области высоких частот диэлектрическая проницаемость приближается к постоянной ε0.
-
Диэлектрическая релаксация
- Диэлектрическая релаксация — это задержка изменения диэлектрической проницаемости.
- Релаксация вызвана задержкой поляризации молекул из-за изменения электрического поля.
- Релаксация описывается уравнением Дебая, где ε∞ — диэлектрическая проницаемость на пределе высоких частот, Δε — изменение диэлектрической проницаемости, τ — характерное время релаксации.
-
Параэлектричество
- Параэлектричество — это номинальное поведение диэлектриков, когда приложенное электрическое поле вызывает поляризацию только параллельно полю.
- Параэлектрические материалы могут быть использованы для охлаждения, так как поляризация параэлектрика повышает температуру, а снятие поля снижает её.
-
Перестраиваемые диэлектрики
- Изоляторы, изменяющие способность сохранять электрический заряд при подаче напряжения
- Используются для устройств при низких и комнатных температурах
- Примеры: SrTiO3, Ba1-xSrxTiO3, микроволновые диэлектрики, УНТ
-
Многослойные слои титаната стронция
- Созданы в 2013 году
- Работают на частоте до 125 ГГц
- Используются молекулярно-лучевая эпитаксия
- Имеют параэлектрический-сегнетоэлектрический переход
-
Конденсаторы
- Используют твердые диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью
- Предотвращают электрический контакт проводящих пластин
- Высокая диэлектрическая проницаемость увеличивает запас заряда
-
Диэлектрический резонатор
- Генератор с резонансной поляризационной характеристикой
- Состоит из керамической «шайбы» с высокой диэлектрической проницаемостью
- Используется для обеспечения заданной частоты
-
По британскому летнему времени тонких пленок
- Исследования в 2002-2004 годах
- Улучшение настраиваемости объемного титаната бария-стронция
- Легирование магнием улучшает диэлектрические свойства
-
Практические диэлектрики
- Твердые, жидкие и газообразные диэлектрики
- Примеры: фарфор, стекло, воздух, азот, гексафторид серы
- Промышленные покрытия, минеральное масло, электрическое касторовое масло
-
Электреты и пьезоэлектричество
- Электреты сохраняют избыточный заряд
- Пьезоэлектрические материалы изменяют форму при внешнем напряжении
- Сегнетоэлектрические материалы изменяют дипольный момент при внешнем электрическом поле
-
Классификация материалов по диэлектрической проницаемости
- Парамагнетизм, соотношение Клаузиуса-Моссотти, диэлектрическое поглощение
- Диэлектрические потери, диэлектрическая прочность, диэлектрическая спектроскопия
- Диэлектрик класса 1 и 2 по ОВОС, диэлектрик с высоким и низким коэффициентом k
- Утечка, линейная функция отклика, метаматериал, задержка RC
- Вращательное броуновское движение, закон Пашена, сепаратор (электрический)