загрузка...
загрузка...
На головну

активні діелектрики

  1. Активні бухгалтерські рахунки
  2. АКТИВНІ І АВТОМАТИЧНІ ДІЇ
  3. Активні і пасивні рахунки
  4. Активні і пасивні рахунки
  5. Активні і пасивні елементи електричних ланцюгів. Закон Ома
  6. Активні метаболіти і їх роль в ініціації токсичного процесу

Активними називаються діелектрики, властивостями яких можна управляти зовнішніми енергетичними впливами і застосовувати ці властивості для створення пристроїв функціональної електроніки.

Активні діелектрики дозволяють здійснити генерацію, посилення, модуляцію електричних і оптичних сигналів, а так само запам'ятовування і перетворення інформації різного роду.

До числа активних діелектриків відносять сегнето-, пьезо-, піроелектрики, електрети, матеріали квантової електроніки (лазерні матеріали), рідкі кристали, електро-, акусто-, магнітооптичні матеріали.

Властивостями активних діелектриків можуть володіти не тільки кристалічні, але також рідке і газоподібні речовини (наприклад, СО2).

Строго поділу між різними класами матеріалів тут так само немає. Не можна однозначно сказати, що даний діелектрик є активним чи пасивним, тобто, класифікація умовна. Одні і ті ж матеріали в різний умовах можуть ставитися до різних груп.

Наприклад, кристалічна ?-модифікація SiO2 - Кварц, активний діелектрик.

SrTiO3 - П'єзоелектрик.

сегнетоелектрики

Це речовини, що володіють здатністю до спонтанної поляризації, напрямок якої може змінюватися під дією зовнішнього поля. Вони мають так звану доменну структуру.


Домени - Це макроскопічні області, молекули в яких спонтанно (від природи) орієнтовані, і тому сумарний електричний момент кожного домена відмінний від нуля (це області, які поляризовані до насичення). У всього обсягу речовини в природі сумарний електричний момент може дорівнювати нулю, так як сегнетоелектрік, що не піддавався впливу електричного поля, складається з безлічі доменів, напрямок поляризації яких різні.

малюнок 43


В принципі, це кристалічні речовини, і якщо кристал сегнетоелектріка має малі розміри, то він може складатися з одного домену, розмір якого коливається від 10-4 до 10-1см. Однак природа прагне до мінімуму енергії, який відповідає неполяризована матеріалу. Отже, при виділенні одного домену, він, як правило, поділяється на два з антипараллельной орієнтацією електричних моментів.

Зовнішнє електричне поле змінює напрямок поляризації доменів, при цьому відбувається як би розростання доменів, спочатку зорієнтованих у напрямку впливу поля, за рахунок поглинання сусідніх. При додатку досить сильного електричного поля монокристал сегнетоелектріка переходить в однодоменних стан. У полікристалічного тіла зсуву доменних кордонів перешкоджають кордону зерен, але і поликристалл теж переводиться в квазіоднодоменное стан.

Наявність спонтанної поляризації призводить до дуже великим величинам діелектричної проникності - до декількох тисяч одиниць. Як наслідок - з них можна виготовляти малогабаритні конденсатори дуже великої місткості. Однак, під дією змінного електричного поля переполяризації в них відбувається не відразу, в результаті чого сегнетоелектрики мають петлею гистерезиса.


малюнок 44

де D - електрична індукція,

Dr - величина залишкової індукції при зовнішньому електричному полі, що дорівнює 0,

Ес - Коерцитивної сила - напруженість зовнішнього електричного поля, необхідна для компенсації внутрішнього поля сегнетоелектріка.


Це говорить про те, що втрати енергії в результаті переполяризації дуже високі. Отже, доречно використання тільки для діапазону низьких частот.

Діелектричний гістерезис зумовлений необоротним зміщенням кордонів під дією поля. Внутрішня орієнтація сільнополярних молекул діелектрика в доменах обумовлена ??взаємодією електрично заряджених частин молекул. У процесі нагрівання вище деякої температури відбувається розпад доменної структури - сегнетоелектричної точка Кюрі.

Відомо кілька сотень речовин, що володіють такими властивостями. Причому точка Кюрі у них від кількох Кельвін (Pb2Nb2O7 - 15К) до 1500К у LiNbO3.

Назва ця група речовин отримувала від першого речовини, у якого були виявлені подібні властивості - сегнетової солі.

Сегнетоелектричних властивості виявляються у дипольних і оінних сільнополярних речовин.

застосування:

1. Виготовлення малогабаритних НЧ конденсаторів з великою ємністю;

2. Використання великий нелінійності поляризації для діелектричних підсилювачів, модуляторів та інших пристроїв;

3. Виготовлення перезаписуваних пристроїв пам'яті;

4. Виготовлення демодуляторів лазерного ізслученія.

п'єзоелектрики

Прямим п'єзоелектричним ефектом називають явище поляризації даелектріка під дією механічної напруги.


малюнок 45

При впливі силою F на гранях утворюється електричний заряд Q:

Q = d • F,

де d - П'єзомодуль (характеристика речовини).


П'єзоефект - явище зворотне. Якщо ми помістимо даний матеріал в електричне поле, то він змінить свої геометричні розміри - явище зворотного п'єзоефекту. Причому напрямок зміни буде залежати від полярності прикладеної напруги.

П'єзоефект буває або паралельним (заряд виникає на тих же гранях, на які спрямована дія сили F), або перпендикулярним (заряд виникає на гранях, перпендикулярних впливу сили F).

П'єзоелектричні властивості проявляють сильно полярні діелектрики з відсутнім центром симетрії в структурі молекули. Відомо більше 1000 речовин, що володіють даними властивостями, в тому числі всі сегнетоелектрики.

Найважливішими для РЕЗ є одна з кристалічних модифікацій кварцу: ?-модифікація SiO2. Він стійкий до температури 573 ° С. При більш високих температурах, ?-модифікація переходить в ?-модифікацію кристалічної решітки. Великі природні кристали пьезокварца звуться гірський кришталь, але вони досить рідкісні. У техніці в основному застосовується штучно вирощений гідротермальних методом кварц.

Перевагами кварцових резонаторів, що представляють собою пластинки кварцу з нанесеними металевими обкладинками, є: дуже малий tg?, висока механічна добротність (малі механічні втрати). У кращих резонаторах добротність становить 106... 107 одиниць. Якщо в таких резонаторах порушити коливання, то вони довго не загасають.

Завдяки високій механічній добротності, кварцові резонатори використовуються в якості фільтрів з великою виборчої здатністю і для еталонірованія частоти генераторів.

Крім кварцу, який досить дорогий, використовують так звану п'єзокерамічним кераміку, яка була сегнетокераміки, поляризовану в сильних електричних полях. Її називають ЦТС-керамікою. Матеріал для виготовлення цирконат титанат свинцю PbZrO3-PbTiO3. За властивостями він поступається кварцу.

З пьезокераміки роблять потужні ультразвукові випромінювачі, які широко використовуються в гидроакустике, дефектоскопії і механічній обробці матеріалів (ультразвукове зварювання). Крім того, з п'єзокераміки виготовляють малогабаритні мікрофони, телефони, ВЧ динаміки, детонатори для детонаторів, датчики тиску і вібрації, ЛЗ на ПАР, п'єзотрансформатор, акустооптичні модулятори.

Електрети

Це тіла діелектриків, які тривалий час зберігають поляризацію і створюють в навколишньому просторі постійне електричне поле (аналог постійного магніту).

Існує велика кількість різних Електрети, які поділяються за способами формування електретних властивостей (вперше виявлені у парафіну).

Термоелектрета отримують комбінацією термічного і електричного впливів

Фотоелектрети - вплив світла і електричного поля

Електроелектрети - впливом тільки електричного поля

Короноелектрети - впливом коронного розряду.

Все електрети поступово втрачають свої властивості, тривалість збереження цих властивостей - від декількох годин до декількох років.


В обсязі діелектрика складається комбінація з двох різновидів зарядів:

1.гомозаряди. Вони стікають з обкладок і замуровуються в поверхневому шарі діелектрика.

2.гетерозаряди. Формуються Гомозаряд.

малюнок 46


У органічних електретів переважають гетерозаряд, у керамічних - Гомозаряд.

В даний час велике застосування знаходять електрети на основі полімерних плівок (на основі поліетилентерефталату (лавсан), політетрафторетилену (фторопласт)).

Вміщені між обкладинками плівки Електрети індукують на них заряд, величина якого залежить від величини зазору.

Застосування: малогабаритні мікрофони, телефони (= навушники), вимірювачі механічної вібрації.

рідкі кристали

Це речовини, які можуть перебувати в проміжному (міжфазному) стані між ізотропної рідиною і твердим кристалічним талом. З одного боку вони текучі, здатні збиратися в краплю, тобто ведуть себе як рідина, з іншого - їм властива анізотропія властивостей і внутрішня впорядкованість, як у кристалів.

Мала величина міжмолекулярних сил, що забезпечують впорядковану структуру, визначають сильну залежність властивостей від зовнішніх факторів: температури, тиску, зовнішнього поля.

Специфіка рідких кристалів полягає в обмеженому температурному інтервалі існування мезофази, причому від декількох градусів, до досить пристойного діапазону температур. При кімнатній температурі стан мезофази характерно для органічних речовин так званого ароматичного ряду з подовженою палочкообразной формою молекули (МББА).

Для рідких кристалів характерна наявність трьох основних станів:

1. смектіческом фаза - це стан, найбільш близьке до кристалічній структурі речовини. Характеризується паралельним розташуванням палочкообразной молекул з рівновіддалених центрів мас. Зріз такої речовини показаний на малюнку 47а

малюнок 47

2. нематического стан. Довгі осі молекул орієнтовані уздовж загального напрямку, яке називається нематического директором, тобто молекули як і раніше паралельні, але немає рівновіддаленість центрів мас (див. Малюнок 47 б)

Більшість не кольорових рідкокристалічних індикаторів використовують перехід з смектіческом в нематического стан. При цьому відбувається зміна оптичних властивостей рідких кристалів, спостерігається свого роду помутніння, змінюється свого роду коефіцієнт пропускання. Самі рідкі кристали не світяться, видно тільки у відбитому або світлі. Структура індикатора представлена ??на малюнку 48.


малюнок 48

При подачі на електрод сигналу і проходженні світла, рідкі кристали над електродом мутніють.


3. холестерические стан (доступно не для всіх рідких кристалів).

На малюнку 47 в зображені кілька зрізів речовини. У кожному шарі молекули розташовані паралельно, але під різними кутами в різних перетинах. При цьому якщо подивитися на одну локальну точку всієї товщі рідких кристалів, то ці молекули утворюють спіраль, яка називається холестерической. Кут повороту молекул залежить від різних впливів, що надаються на цей рідкий кристал: температура, електричне і магнітне поля, тиск. Холестеричних спіраль переломлює падаюче світло, і в залежності від кута закрутки спіралі ми бачимо той чи інший колір. Процес управління називається твіст-ефектом.

магнітні матеріали

Будь-яка речовина, Поміщене в магнітне поле набуває магнітний момент М. Магнітні момент одиниці об'єму називають намагніченістю jm, [А / м]:

.

При нерівномірному намагничивании оцінюють величину Jm:

.

Зв'язок намагніченості з напруженістю магнітного поля:

,

де  - Магнітна сприйнятливість, Н - напруженість магнітного поля.

Магнітна сприйнятливість - здатність речовини намагнічуватися. Намагнічене тіло, що знаходиться в зовнішньому полі, створює власне магнітне поле, спрямоване в ізотропних середовищах паралельно або антипараллельно зовнішньому полю. Внаслідок цього величина магнітної індукції речовини буде дорівнює сумі алгебри зовнішнього і внутрішнього полів:

де  - Відносна магнітна проникність - показує, у скількох разів магнітна індукція в речовині більше ніж у вакуумі.

Класифікація речовин за магнітними властивостями

За реакцією на зовнішнє магнітне поле і характеру внутрішнього магнітного впорядкування всі речовини діляться на 5 груп:

· Діамагнетик

· Парамагнетики

· Феромагнетики

· антиферомагнетика

· Феримагнетики

Діамагнетик

До них відносяться речовини, у яких магнітна сприйнятливість негативна і не залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля.

Діамагнетизм обумовлений невеликою зміною кутової швидкості орбітального обертання електронів в атомі при попаданні цього атома в магнітне поле. Зміна швидкості - прояв закону електромагнітної індукції на атомарному рівні. При цьому орбіта електрона розглядається як якийсь замкнутий контур, по якому тече струм, і цей контур не має активного опору.

Очевидно, що діамагнетизм універсальний, властивий всім речовинам, проте в більшості випадків він маскується іншими сильнішими магнітними проявами.

[Можна провести паралель в діелектриками: електронна поляризація маскується сильнішими видами поляризації]

До чистих діамагнетиків відносять інертні гази, багато рідини (вода, нафта і її похідні), ряд металів (Cu, Ag, Au, Zn, Hg, ...), більшість напівпровідників (елементарні, з'єднання AIIIBV, AIIBVI, Органічні сполуки і неорганічні скла) і багато інших.

Чисельне значення магнітної сприйнятливості становить -1 (10-6... 10-7). Вона слабо залежить від температури, так як визначається внутріатомними процесами. Зовнішнім проявом діамагнетизму є виштовхування діамагнетіков з неоднорідного магнітного поля.

парамагнетики

До них відносять речовини з позитивною магнітною сприйнятливістю, що не залежить від зовнішнього магнітного поля.

У парамагнетиків атоми володіють елементарним магнітним моментом навіть у відсутності зовнішнього магнітного поля. Але через теплового руху сумарний заряд без зовнішнього магнітного поля дорівнює нулю. Зовнішнє поле, що накладається на парамагнетик створює переважну орієнтацію, яка тим не менш не є суворою.

Температура сильно впливає на магнітну сприйнятливість матеріалу. Залежність магнітної сприйнятливості від температури визначається законом Кюрі - Вейса. При кімнатній температурі величина km становить у різних речовин від 10-3 до 10-6. Отже, з магнітна проникність незначно відрізняється від одиниці.

Фізичний прояв парамагнетизм - втягування парамагнетика в неоднорідне магнітне поле.

До числа парамагнетиков відносять кисень, окис азоту, лужні та лужноземельні метали, деякі перехідні метали (Al), солі заліза, кобальту, нікелю.

[Аналог дипольно-релаксаційної поляризації]

ферромагнетики

До них відносять речовини з великим позитивним значенням магнітної сприйнятливості (до 106), Яка сильно залежить від температури і напруженості зовнішнього магнітного поля.

Їм властива внутрішня магнітна впорядкованість, яка характеризується наявністю макроскопічних областей з паралельно орієнтованими магнітними моментами атомів (доменів).

Найважливішою особливістю є здатність намагнічуватися до насичення в слабких магнітних полях. Намагніченість до насичення веде до переходу в однодоменних стан.

[Аналог спонтанної поляризації]

антиферомагнетики

До них відносять речовини, в яких нижче певної температури спонтанно виникає антипаралельними орієнтація елементарних магнітних моментів однакових атомів або іонів кристалічної решітки.

Для антиферромагнетиков характерна невелика позитивна магнітна сприйнятливість: у різних речовин від 10-3 до 10-5, Вона сильно залежить від температури. При нагріванні як і ферромагнетики відчувають фазовий перехід в парамагнетіческое стан. У феромагнетиків такий перехід відбувається в точці Кюрі, а у антиферромагнетиков - в точці Нееля (або антиферомагнітної точці Кюрі).

При кімнатній температурі до них відносяться хром, марганець, рідкоземельні елементи (цезій, неодим, самарій, талій і ін.). Типові антиферомагнетики - найпростіші хімічні сполуки на основі металів перехідної групи: оксиди, галогеніди, сульфіди, карбонати і тому подібні. Всього близько 1000 хімічних сполук.

феримагнетики

До них відносяться речовини, з нескомпенсованими антиферомагнетизмом. Подібно феромагнетика вони володіють високою магнітною сприйнятливістю, яка істотно залежить від температури і напруженості зовнішнього магнітного поля. Є деякі відмінності: феримагнетика не властиво доменне будова речовини.

Властивостями феримагнетиків володіють деякі впорядковані сплави металів, але головним чином - оксидні сполуки, серед яких найбільший інтерес представляють ферити (саме від них і отримала назву група).

Очевидно, що сильними магнітними властивостями володіють дві крупи: ферромагнетики і феримагнетики. Саме вони становлять інтерес для подальшого вивчення.

Природа феромагнітного стану

Для освіти сильних магнітних властивостей у речовини необхідно виконання двох умов:

1. Наявність елементарного магнітного моменту атомів вещества4

2. Повинна бути паралельна орієнтація цих магнітних моментів.

Відмінним від нуля магнітним моментом мають ті атоми і іони, які в своїх електронних оболонках мають нескомпенсовані спини. Як відомо, на одній орбіталі атома не може перебувати не більше двох електронів з протилежними спинів. Якщо на орбіталі залишиться один електрон, то його рух навколо ядра атома створює нехай дуже маленьке, але магнітне поле, яке і буде тим самим елементарним магнітним моментом атома.

Паралельну, антипаралельну або хаотичну орієнтацію елементарних магнітних моментів створює обмінна взаємодія електронних оболонок сусідніх атомів. Сила обмінного взаємодії (А) істотно залежить від розміру атома (d) і від відстані між атомами (а).


малюнок 49

I антипаралельними розташування елементарних магнітних моментів. Антиферомагнетики.

II паралельне розташування елементарних магнітних моментів. Ферромагнетики (Fe, Co, Ni).

III хаотичне розташування елементарних магнітних моментів. Парамагнетики.


З цієї позиції очевидно, що величина і знак сили обмінного взаємодії визначаються для кожного конкретного речовини відстанню між сусідніми атомами. Оскільки воно змінюється зі зміною температури, вона впливає на магнітні властивості цих речовин, а при деякій температурі антиферомагнетики і ферромагнетики переходять в парамагнітний стан, коли обмінна взаємодія послаблюється дуже сильно.

Формування магнітних властивостей феримагнетиків

Феримагнетики отримали свою назву від феритів - з'єднань оксидів заліза з оксидами інших металів. Загальна формула має вигляд Fe2O3· Мео.

У техніці знаходять застосування сотні різних феритів. Найбільш широке поширення характерно для феритів зі структурою шпінелі.

Хімічний смоктав феритів (феррошпінелей) відповідає формулі МеFe2O4. Наявність або відсутність магнітних властивостей у феритів визначається порядком розташування атомів металу, заліза і кисню. Магнітоактивного катіони металу і заліза в ферритах знаходяться відносно один від одного, і їх взаємодію дуже слабо. Однак тут має місце так зване непряме обмінна взаємодія всіх атомів, що входять в хімічну сполуку. При цьому атоми металу і заліза набувають сонаправленнимі елементарні магнітні моменти за рахунок участі в обмінному взаємодії атома кисню.

Ме Fe O

 




алюміній Al | Мідь Cu. | Алюміній Al. | Золото Au і срібло Ag | Хромсіліцідние сплави і композиції | напівпровідникові матеріали | германій Ge | кремній Si | діелектрики | Фторопласт |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати