Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции - Физические основы электроники (ФОЭ) - файл 1.doc


Лекции - Физические основы электроники (ФОЭ)
скачать (11333 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc11333kb.17.11.2011 00:16скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9
Реклама MarketGid:
Загрузка...
^

Электропроводность. В твердых диэлектриках представляет собой сумму токов:

,


где - ток смещения, обусловлен электронной и ионной поляризации, он проходит в очень малые промежутки времени (с);

- ток абсорбции, обусловлен перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика. Часть носителей встречает на своем пути ловушки захвата – дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все ловушки заполняются, ток абсорбции прекращается;

- сквозной ток, обусловленный объемным сопротивлением диэлектрика и поверхностным, так как в любом диэлектрике имеется небольшое количество свободных электронов, за счет примеси.

^ Диэлектрические потери. Понимают электрическую мощность поглощаемую диэлектриком при воздействии на него электрического поля. Она рассеивается в диэлектрике, превращаясь в тепло. Они в основном обусловлены сквозным током. При высоких напряжениях и частоты потери могут возникать за счет ионизации газов внутри диэлектрика.

Потери возникают как на постоянном так и на переменном.

Для расчета потерь используют соотношение , где - угол диэлектрических потерь, который определяет соотношение между резистивной и реактивной составляющими тока. Чем меньше , тем лучше диэлектрик. ≈ 0,0001 – 0,01.

Пробой диэлектриков. Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называется пробоем. Различают два вида пробоя: полный и неполный.


Полный – если проводящий канал проходит от одного электрода к другому и замыкает их.

Частичный (неполный), если пробивается лишь газовое или жидкое включение твердого диэлектрика.

Поверхностный пробой – который возможен в твердых диэлектриках.

Пробивное напряжение диэлектрика зависит от толщины диэлектрика.

,

где - электрическая прочность;

h – толщина диэлектрика.

Значение зависит от формы электродов, времени прохождения под напряжением, вида напряжения, частоты, температуры, влажности.

Физические процессы пробоя в разных случаях различны. Различают несколько механизмов пробоя: электрический, тепловой, электрохимический, ионизационный, электромеханический.

Электрический пробой – обусловлен ударной ионизацией или разрывом связей между частицами диэлектрика непосредственно под действием электрического поля. Электрический пробой обусловлен внутренним строением диэлектрика (плотностью упаковки атомов, прочностью и связей) и слабо зависит от внешних факторов (температуры, формы образца его размеров, частоты напряжения). Длится процесс микросекунды и менее, а в пределах 100 – 1000 МВ/м.
^

Тепловой пробой. Обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь. Мощность, выделяющаяся в образце равна:

Рn = U2ωC


Тепловая мощность, отводимая от образца, пропорциональна площади теплоотвода S и разности температур Т и окружающей среды То.

Рр = кS(T-T°),

где к – коэффициент теплоотдачи.

Условие теплового равновесия является Рn = Рр, но так как обычно растет с повышением температуры, то, начиная с некоторой критической Ткр, значение Рn > Рр В результате превышения тепловыделения над теплоотдачей диэлектрик лавинообразно разогревается, что приводит к разрушению.

Напряжение теплового пробоя отличается от напряжения электрического пробоя и зависит от частоты.



где А – постоянная.

С повышением f Uпр уменьшается, аналогично и от изменения температуры, за счет роста .

По указаннным причинам изменяется механизм пробоя: при низких f или Т, когда Uпр.тепл велико, происходит электрический пробой, а при высоких f или Т, Uпр.тепл. Снижается до значений, меньших значений Uпр.электр, пробой становится тепловым. Отмечается fкр и Ткр происходит этот переход от электрического к тепловому и зависят от диэлектрика, условий теплоотвода, времени приложения U, скважности импульсов.

^ Электрохимический пробой. Обусловлен химическими процессами, приводящими к изменениям в диэлектрике под действием электрического поля, так как приводит к «старению», и определяется временем жизни изоляции.

^ Ионизационный пробой. Он обусловлен ионизационными процессами вследствие частичных разрядов в диэлектрике. Особенно это характерно для диэлектриков с воздушными включениями (бумага).

При больших Е и воздушных порах возникает ионизация воздуха, образуется озони, ускоряются ионы, что приводит к выделению тепла, что снижает Епр. При этом возможен и поверхностный пробой. Чтобы его не допустить необходимо: удлинять возможный путь разряда по поверхности. Для этого поверхность изоляторов делают гофрированной, в конденсаторах оставляют неметаллизированные закраины диэлектрика, поверхности покрывают лаками, компаундами, жидкими диэлектриками с высокой Епр.

^ Пробой неоднородных микроскопических диэлектриков. Большинство диэлектриков состоят из нескольких слоев обладающих разными электрическими свойствами и имеют больше или меньше количество пор. Например: намоточные изделия, керамические диэлектрика (керамика и стекло).

Если приложить к такому диэлектрику U, то напряженность в отдельных слоях будет отличаться от среднего значения Еср = U (h1 + h2). Поэтому, если произойдет пробой одного слоя, то это вызовет пробой всего образца.

Чем меньше размер пор в диэлектрике, тем более высокое U нужно приложить к образцу, чтобы вызвать разряды в порах. Для этого пористые диэлектрики заполняют жидким или твердеющим электроизоляционным материалом. У кабельной бумаги Епр = 3-5 МВ/м, для пропитанной компаундом Епр = 40 – 80 МВ/м.


2.3 Сегнетодиэлектрики


Сегнетодиэлектриком называют диэлектрик, обладающий спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено внешними воздействиями, например, электрическим полем.

Особенности сегнетодиэлектриков:

1 Обладают доменной структурой. Домен – это макроскопическая область, имеющая пространственно – однородное упорядочение дипольных моментов элементарных кристаллических ячеек. В отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты в доменах ориентированы равновероятно по всем направлениям, что вызывает их взаимную компенсацию.

При воздействии электрического поля дипольные моменты доменов ориентируются преимущественно в направлении поля, что вызывает эффект очень сильной поляризации, а следовательно, высокое и сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости.

2 Сильная зависимость Е от температуры (с максимумом при Т°, называемой сегнетоэлектрической точкой Кюри) и сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости.

3 Поляризация связана с достаточно большими затратами энергии. В переменном поле имеет место гистерезис.

4 Сильная зависимость Е и диэлектрических потерь от частоты, особенно на СВЧ.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация возникает под влиянием внутренних процессов, без внешних воздействий. Зависимость поляризованности от Е нелинейная и при циклическом изменении Е вид кривой является петля гистерезиса. По значению коэрцитивной силы подразделяются на сегнетомягкие и сегнетотвердые.

Важный параметр – сегнетоэлектрическая точка Кюри – температура, при которой возникает (при охлаждении) или возникает (при нагреве) спонтанная поляризация. При достижении точки Кюри происходит фазовый переход из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое, когда Рs = 0. При этом изменяется симметрия кристалла, параметры элементарной ячейки, а диэлектрические, упругие, пьезоэлектрические, электрооптические характеристики имеют резкие максимумы.

В сегнетодиэлектриках с фазовым переходом первого рода спонтанная поляризация в точке Кюри изменяется скачком, что характеризуется наличием температурного гистерезиса и выделение скрытой теплоты. В сегнетоэлектриках с размытым переходом, в которых нет определенной точки перехода, наблюдается широкая область температур, где Рs постоянно уменьшается. В этой области существуют обе фазы- сегнето- и параэлектрическая.

По виду поляризации подразделяются на ионные и дипольные. Ионные – представляют собой кристаллы со значительной степенью ионной связи. Наблюдается спонтанная поляризация.

Дипольные – в них существуют постоянные электрические диполи или дипольные группы.

Параметры сегнетодиэлектриков меняются в широких пределах от -273°С до +1200°С, а Е изменяется от единиц до десятков тысяч.

Применение:

- Конденсаторная сегнетокерамика – для изготовления конденсаторов (низкочастотных) большой емкости (титанат бария ВаТiО3).

  • Нелинейная сегнетокерамика – специальный конденсатор – вариконд, емкость которого зависит от напряжения. Используются: в вычислительной технике (запоминающее устройство), бесконтактных переключателях, преобразователях частоты, усилителях, стабилизаторах.

  • Терморезистивная - (относится к полупроводникам) отличается позисторным эффектом, в резком возрастании проводимости при повышении температуры. Этот эффект наблюдается в определенном интервале температур. Изготовляют терморезисторы позисторы (стабилизаторах тока, термостатах, регулировки температур и измерения и т.д.).


2.4 Пьезоэлектрики


Это твердые, сенизотропные кристаллические вещества, поляризующиеся под действием механических напряжений. В них возникают прямой и обратный пьезоэффекты.

Прямой пьезоэлектрический эффект – образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и электрической поляризации внутри его, происходящие в результате воздействия механических напряжений.

Поляризация P=dσ [Кл/м2],

где d – коэффициент пропорциональности, называемый пьезоэлектрическим модулем или пьезомодулем.[Кл/Н];

σ – механическое напряжение [Н/м2].



Рисунок 2.2 – Прямой пьезоэффект


Под воздействием механического напряжения работа внешней силы затрачивается на деформацию материала и его поляризацию (эффект был открыт в 1880 г.), на поверхности кристалла появляются электрические заряды, такие материалы называют пьезоэлектрическими.

Применение: преемники ультразвука, датчики деформации, звукосниматели.

^ Обратный пьезоэффект. Под воздействием внешнего источника с напряжением U затрачивается энергия на заряд ёмкости пьезоэлемента (CU2/2) и на его деформацию. При этом амплитуда механических колебаний будет меняться с частотой переменного электрического тока; при совпадении частоты поля с собственной частотой пьезоэлектрика амплитуда приобретает максимальные значения.

Используется для преобразования электрических сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука).

Пироэлектрики. Пироэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика при однородном по его объёму нагреве или охлаждении.



Рисунок 2.3 – Пироэлектрический эффект


При изменении температуры пироэлектрик поляризуется, т.е. на противоположных сторонах его возникают разноимённые заряды. Это возможно в веществах, обладающих спонтанной или остаточной поляризацией, когда имеющаяся поляризованность зависит от Т0. Благодаря электропроводности связанные поляризационные заряды обычно скомпенсированы свободными зарядами противоположного знака, они обведены кружками, и наличие поляризации не проявляется. При нагреве или охлаждении значение Р изменяется (исчезновение Р изображено исчезновением нескольких диполей) и часто свободных зарядов освобождается. Эти освободившиеся свободные заряды и обнаруживаются внешним индикатором как пироэлектрическая поляризация, являющаяся функцией температуры.

Пироэлектрики обладают и обратным электроколорическим эффектом, т.е., их температура изменяется при поляризации. Применяются в детекторах оптических сигналов и в тепловых датчиках, а также делают решётки для приёма изображения.

Материалы – турмалин, сульфат лития, виннокислый калий.

Пироэффектом обладают и сегнетоэлектрики: LiNbO3 и LiTaO3.

1   2   3   4   5   6   7   8   9



Скачать файл (11333 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru