Активні діелектрики

1. Загальна характеристика активних діелектриків.

2. Властивості і галузь застосування сегнетоелектриків.

3. Властивості і галузь застосування п¢єзоелектриків.

4. Властивості і галузь застосування електретів.

1.До пасивних діелектриків пред'являють вимоги збереження стабільності властивостей при різних зовнішніх впливах, до діелектриків, виконуючих активні функції керування енергією або перетворення інформації, що надходить, пред'являються вимоги абсолютно протилежні. Чим сильніше змінюються властивості матеріалу при зовнішніх збуреннях, тим краще такий елемент виконує свої функції.

Діелектрики, властивостями яких можна керувати за допомогою зовнішніх енергетичних збурень і використовувати ці впливи для створення функціональних елементів електроніки, відносять до групи активних діелектриків: сегнето-, п`єзо- і піроелектрики; електро-, магніто- і акустооптичні матеріали; діелектричні кристали з нелінійними оптичними властивостями й ін. Розглянемо активні діелектрики, які знайшли найбільше застосування.

2.Сегнетоелектрики – речовини, що мають спонтану поляризацію, напрямок якої може бути змінений за допомогою зовнішнього електричного поля. Сегнетоелектрики мають ряд специфічних властивостей, які виявляються лише в певному діапазоні температур. Температура Тк (сегнетоелектрична точка Кюрі) є температурою фазового переходу, нижче за цю температуру сегнетоелектрик має доменну структуру і характерні сегнетоелектричні властивості; вище за цю температуру відбувається розпад доменної структури і сегнетонлектрик переходить у параелектричний стан. Наслідком доменної будови сегнетоелектриків є нелінійна залежність їх електричної індукції від напруженості електричного поля, яка носить назву діелектричної петлі гістерезису, і різко виражена температурна залежність діелектричної проникності досягаєтся при температурі, що відповідає точці Кюрі.

Сегнетоелектрики знаходять застосування: для виготовлення малогабаритних низькочастотних конденсаторів з великою питомою ємністю; для виготовлення матеріалів з великою нелінійністю поляризації для діелектричних підсилювачів, модуляторів і інших керованих пристроїв; в обчислювальній техніці – для елементів пам'яті; для модуляції і перетворення лазерного випромінювання; в п`єзо- і піроелектричних перетворювачах. Серед конденсаторної сегнетокераміки можна виділити ряд матеріалів. Наприклад, Т-900, кристалічна фаза якого є твердим розчином титанатів стронцію і вісмуту з температурою Кюрі – Тк= -140⁰С. Цей матеріал має згладжену залежність діелектричної проникності від температури. Для виробництва малогабаритних конденсаторів на низькій напрузі використовують також матеріал СМ-1, що виготовляється на основі титанату барію з добавкою оксидів цирконію і вісмуту. Для виготовлення конденсаторів, що працюють при кімнатній температурі, у тому числі і високовольтних, використовують матеріал Т-8000, що має кристалічну фазу на основі ВаТiО₃- ВаZrО₃. Точка Кюрі цього матеріалу знаходиться в межах кімнатної температури.

Для виготовлення нелінійних конденсаторів застосовують інші сегнетоелектричні матеріали, що мають різко виражені нелінійні властивості – сильну залежність діелектричної проникності від напруженості електричного поля. Такі матеріали називаються варікондами. Варіконди призначені для керування параметрами електричних кіл за рахунок зміни ємності. Сегнетоелектрики, петля гістерезису яких має форму близьку до прямокутної (наприклад тригліцинсульфат (ТГС)), можна застосовувати в запам'ятовуючих пристроях ЕОМ.

Кристали деяких сегнетоелектриків мають сильно виражений електрооптичний ефект. Електрооптичний ефект полягає в зміні показника заломлення середовища, який викликаний зовнішнім постійним електричним полем. Електрооптичні властивості сегнетоелектричних кристалів використовується для модуляції лазерного випромінювання, здійснюваного електричним полем, прикладеним до кристала. Для електрооптичних модуляторів світла використовують кристали ніобату літію, дігідрофосфату калію, прозору сегнетокерамику системи ЦТСЛ, є твердими розчинами цирконату-титанату свинцю з оксидом лантану.

3. П`єзоелектрики – діелектрики з сильно вираженим п'єзоелектричним ефектом. Прямим п'єзоелектричним ефектом називають явище поляризації діелектрика під дією механічних напруг. При зворотному п'єзоефекті відбувається зміна розмірів діелектрика під дією прикладеного електричного поля. Хоча в даний час відомі більше тисячі речовин, що мають п'єзоелектричні властивості, в п`єзоелектротехніці застосовується обмежена кількість матеріалів. Важливе місце серед них займає монокристалічний кварц, з якого вирізають пластини з потрібною для отримання високих характеристик кристалографічної орієнтації. Кварцові резонатори, поліровані кварцові пластини з електродами і утримувачами мають дуже малий tgd і високу механічну добротність (тобто малі механічні втрати). Окрім кварцу в різних п`єзоперетворювачах використовують кристали сульфату літію, сегнетової солі, ніобату і танталату літію. Широко застосовується для виготовлення п`єзоперетворювачів п'єзоелектрична кераміка, що виготовляється в основному з твердих розчинів цирконату-титанату свинцю. Перевага п`єзокераміки перед монокристалами – можливість виготовлення активних елементів складної форми і будь-якого розміру. П`єзокераміка застосовується для виготовлення малогабаритних мікрофонів, телефонів, детонаторів, датчиків тиску, деформацій, прискорень вібрацій, п`єзорезонансних фільтрів, ліній затримки, п`єзотрансформаторів і ін.

4 До електретів відносять діелектрики, здатні тривалий час зберігати поляризований стан і створювати в навколишньому просторі електричне поле. Існують різні способи отримання електретів. Так, термоелектрети одержують шляхом охолоджування в сильному електричному полі розплаву полярних діелектриків; фотоелектрети виготовляють з матеріалів, що мають фотоелектропровідність – сірки, сульфату кадмію – при одночасній дії світла і електричного поля; короноелектрети одержують при зниженому тиску газу в коронному розряді та ін.

Час життя електретів може досягати в нормальних умовах декілька років, але швидко зменшується з підвищенням температури і вологості за рахунок звільнення і нейтралізації носіїв заряду, захоплених пастками.

Найбільше практичне застосування знаходять електрети з плівок поліетілентерефлату (лавсану), фотопласту-4, полікарбонату й ін. Електрети застосовуються для виготовлення мікрофонів, телефонів, дозиметрів радіації, вологості, електрометрів в електрофотографії і в багатьох інших випадках.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ.

1. Чому діелектрики проводять струм? Які параметри характеризують електропровідність?

2. Чим викликана електропровідність газів, рідких і твердих діелектриків?

3. Від яких факторів залежить провідність діелектриків?

4. Що представляють діелектричні витрати? Які параметри їх характеризують?

5. Від яких факторів залежать діелектричні витрати?

6. Чому діелектрики втрачають електричну міцність? Які параметри характеризують пробій?

7. Що представляють процеси електричного, електротеплового та електрохімічного пробою?

8. Які параметри характеризують механічні, термічні і фізико-хімічні властивості діелектриків?

9. Яким чином пов´язані механічні, термічні та фізико-хімічні параметри з електричними властивостями діелектриків?

10. Які переваги газоподібних діелектриків перед іншими видами електроізоляційних матеріалів?

11. Від чого залежить електропровідність і електрична міцність газоподібних і рідких діелектриків?

12. Які функції у трансформаторах виконує трансформаторне масло і яким вимогам воно повинно відповідати?

13. У чому полягає особливість реакції полімерізації і поліконденсації термопластичних та термореактивних полімерів?

14. Які види воскоподібних діелектриків вам відомі і їх галузь застосування?

15. У чому полягає процес вулканізації гуми?

16. Як отримують ебоніт?

17. Як електроізоляційні лаки класифікують за відношенням до нагрівання, призначенням, хімічним складом?

18. Де в електротехніці застосовуються бітуми?

19. Що собою представляють компаунди і які особливості застосування термопластичних і термореактивних компаундів?

20. Назвіть переваги застосування волокнистих матеріалів як діелектриків.

21. Що собою представляє лакотканина?

22. Які типи слюди застосовуються для електричних кіл і чим вони відрізняються за властивостями?

23. Який матеріал називається склом? Класифікація стекол за складом.

24. Приведіть основні характеристики і галузь застосування ситалів.

25. Які матеріали застосовуються для виготовлення конденсаторної кераміки? Вимоги до них.

26. Які діелектричні матеріали називають активними? Які функції вони можуть виконувати?

27. Що таке п´єзоелектрики, піроелектрики та електрети?