Zjawiska w dielektrykach

• Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi zjawiskami zachodzącymi w dielektrykach.
• Część teoretyczna omawia przewodnictwo elektryczne, polaryzację dielektryków, właściwości i zastosowania materiałów elektroizolacyjnych.
• Część praktyczna obejmuje wyznaczanie rezystywności i konduktywności skrośnej materiałów elektroizolacyjnych oraz przenikalności względnej dielektryków stałych.

Informacje teoretyczne

• Dielektryki to ciała stałe, ciekłe i lotne, które bez zewnętrznych bodźców jonizujących nie zawierają ładunków swobodnych.
• Charakteryzują się rezystywnością skrośną większą od 10¹⁰ Ωm i szerokością pasma zabronionego większą od 5 eV.
• W dielektrykach przewodzenie ma charakter jonowy, zależny od liczby jonów i ich ruchliwości, które zależą od natężenia pola elektrycznego i czynników dysocjujących.
• Stosuje się je jako materiały izolacyjne oraz wypełnienie w kondensatorach.
• Najważniejsze parametry elektryczne dielektryków to rezystywność skrośna i powierzchniowa, przenikalność elektryczna względna i współczynnik strat dielektrycznych.

Dielektryk idealny vs. rzeczywisty

• W dielektryku idealnym (bez defektów i zanieczyszczeń) nie występują swobodne ładunki elektryczne.
• W dielektryku rzeczywistym występują one z powodu zjonizowanych atomów zanieczyszczeń i defektów punktowych, jednak ich koncentracja jest na ogół mała.
• O własnościach elektrycznych dielektryka decydują głównie ładunki związane, np. jony lub stałe dipole elektryczne w asymetrycznych molekułach (HCl, NH₃, H₂O).

Dielektryk w polu elektrycznym

• Cząsteczki dielektryka dzielą się na niepolarne i polarne.
• W cząsteczkach niepolarnych środki ciężkości ładunków dodatnich i ujemnych pokrywają się (wiązania kowalencyjne i symetryczna budowa).
• W cząsteczkach polarnych środki te nie pokrywają się (wiązania jonowe lub kowalencyjne o niesymetrycznej strukturze).

Dipol elektryczny i moment dipolowy

• Układ dwóch ładunków q o przeciwnych znakach, oddalonych o l, to dipol elektryczny.
• Moment dipolowy (p = ql) to wektor od ładunku ujemnego do dodatniego.
• W zewnętrznym polu elektrycznym, cząsteczki niepolarne ulegają sprężystemu rozsunięciu ładunków, a polarne orientują się w kierunku pola.

Polaryzacja dielektryczna

• Polaryzacja dielektryczna to zespół zjawisk związanych z działaniem pola elektrycznego na obojętne elektrycznie cząsteczki.
• Dwa podstawowe rodzaje polaryzacji to sprężysta (deformacyjna, indukowana) i relaksacyjna (orientacyjna).
• Polaryzacja sprężysta obejmuje polaryzację elektronową (przesunięcie powłok elektronowych) i jonowo indukowaną (przesunięcie jonów w sieci krystalicznej).
• Polaryzacja relaksacyjna to polaryzacja dipolowa (orientacja trwałych dipoli), jonowo-relaksacyjna i makroskopowa (przemieszczanie ładunków swobodnych).
• Polaryzacja elektronowa występuje we wszystkich dielektrykach i trwa bardzo krótko (ok. 10⁻¹⁵ s).
• Polaryzacja jonowo indukowana występuje tylko w kryształach jonowych i jest nieco dłuższa (ok. 10⁻¹³ s).
• Polaryzacja dipolowa występuje w dielektrykach z trwałymi dipolami i może trwać od 10⁻¹⁴ do 10¹⁰ s.
• Polaryzacja relaksacyjna zachodzi w dielektrykach bezpostaciowych z wiązaniami jonowymi.
• Polaryzacja makroskopowa zachodzi w dielektrykach z ładunkami swobodnymi.
• Polaryzacja zmniejsza natężenie pola elektrycznego wewnątrz dielektryka.

Przenikalność elektryczna

• Przenikalność elektryczna (co mówi o właściwościach dielektryka) to wielkość fizyczna opisująca makroskopowe własności dielektryków.
• Układ dwóch elektrod płasko równoległych podłączonych do napięcia stałego U gromadzi ładunek qo w próżni.
• Umieszczenie dielektryka powoduje jego polaryzację i zgromadzenie dodatkowego ładunku Δq na elektrodach.
• Pojemność elektryczna układu z dielektrykiem jest większa niż w próżni (C > Co).
• Przenikalność elektryczna względna εr to stosunek pojemności z dielektrykiem do pojemności w próżni (εr = C/Co).
• Przenikalność elektryczna zależy od wilgotności i temperatury oraz od częstotliwości zmian pola elektrycznego.
• W polu elektrostatycznym lub wolnozmiennym jest wielkością rzeczywistą, a w polach szybkozmiennych – zespoloną (ε = ε' - jε").

Tangens kąta strat

• Tangens kąta strat (tg δ = ε"/ε') to miara opóźnienia zmian polaryzacji dielektryka w stosunku do zmian pola elektrycznego.
• Przenikalność bezwzględna dielektryka określona jest wzorem ε = ε₀εr, gdzie ε₀ to przenikalność próżni (8,854*10⁻¹² F/m).
• Zależność przenikalności elektrycznej w funkcji częstotliwości jest inna dla dielektryków polarnych i niepolarnych.

Zjawisko przewodnictwa elektrycznego w dielektrykach stałych

• W dielektrykach krystalicznych źródłem swobodnych nośników ładunku są defekty punktowe (Frenkla, Schottky'ego) i jony pochodzące z zanieczyszczeń.
• W kryształach jonowych, pobudzenie cieplne może powodować przejście jonów do przestrzeni międzywęzłowej, tworząc defekt cieplny Frenkla.
• Inny przypadek to przejście jonów węzłowych na powierzchnię kryształu, tworząc defekty Schottky'ego.

Prądy w dielektryku

• Przewodnictwo elektryczne polega na ruchu swobodnych nośników ładunku pod wpływem pola elektrycznego.
• Gęstość prądu (j = γE) jest iloczynem konduktywności (γ) i natężenia pola elektrycznego (E).
• Konduktywność (γ = qnμ) zależy od ładunku (q), koncentracji (n) i ruchliwości (μ) nośników.
• Po podłączeniu napięcia stałego do kondensatora z dielektrykiem, prąd początkowo rośnie, a następnie maleje do wartości ustalonej iu.
• Prąd płynący przez kondensator to suma prądów ładowania (ic), absorpcji (ia) i upływu (iu).

Rodzaje prądów

• Prąd ładowania związany jest z polaryzacją sprężystą.
• Prąd upływu (iu) spowodowany jest ruchem ładunków swobodnych i wytwarza straty cieplne.
• Prąd absorpcji (ia) związany jest z polaryzacją relaksacyjną i można go opisać równaniem ia = Ia * exp(-t/τ).
• Prąd płynący przez dielektryk stały to suma prądu przewodzenia skrośnego Iv i prądu powierzchniowego Is.

Rezystywność

• Wprowadza się pojęcia rezystywności skrośnej (ρv) i powierzchniowej (ρs).
• Rezystywność charakteryzuje zdolność materiału do przewodzenia prądu elektrycznego i jest podstawowym parametrem izolacyjnym.
• Rezystywność skrośną (ρv = E/Jvu) definiuje się jako iloraz natężenia stałego pola elektrycznego E i gęstości prądu ustalonego Jvu.
• Rezystywność skrośną określa się jako rezystancję skrośną odniesioną do jednostki objętości próbki, ρv=Rv*S/h.
• Rezystywność powierzchniową (ρs = E/Jsu) definiuje się jako iloraz natężenia stałego pola elektrycznego E i gęstości liniowej prądu Jsu.

Kondensatory

• Dielektryki są główną częścią kondensatorów, które gromadzą ładunek elektryczny.
• Pojemność kondensatora zależy od wymiarów geometrycznych okładzin i dielektryka oraz od własności materiałowych dielektryka (przenikalności względnej εr).
• Pojemność kondensatora płaskiego wynosi C = ε₀εrS/d.
• Miniaturyzacja wymaga stosowania dielektryków o dużych przenikalnościach względnych.
• Jednostką pojemności jest farad (F), a praktycznie używa się pikofaradów (pF), nanofaradów (nF) i mikrofaradów (µF).

Rodzaje Kondensatorów

• Obecnie produkowane kondensatory dzielą się na elektrolityczne, ceramiczne i z tworzyw sztucznych (foliowe).
• Kondensatory elektrolityczne są polaryzowane i mają elektrody aluminiowe lub tantalowe.
• Izolatorem w kondensatorach aluminiowych jest tlenek glinu (Al₂O₃), a w tantalowych – tlenek tantalu (Ta₂O₅).
• Pojemności kondensatorów elektrolitycznych: aluminiowe od 100 nF do 1F, tantalowe od 100 nF do 1 mF.
• Kondensatory elektrolityczne stosowane są w obwodach zasilania jako kondensatory filtrujące i gromadzące energię.
• Kondensatory ceramiczne dzielą się na typ 1 (małe straty, wysoka stabilność), typ 2 (ferroelektryczne, duża pojemność) i typ 3 (półprzewodnikowe).
• Pojemności kondensatorów ceramicznych: typ 1 - od 0,1 pF do 10 nF, typ 2 - od 100 pF do 1 uF, typ 3 - od 100 pF do 10 uF.
• Stosowane w obwodach wielkiej częstotliwości.
• Kondensatory z tworzyw sztucznych (foliowe) zbudowane są z folii aluminiowej i dielektryka (polistyren, poliester, poliwęglan, polipropylen).
• Pojemności kondensatorów foliowych: styrofleksowych - od 10 pF do 100 nF, poliestrowych - od 100 pF do 100 µF, polipropylenowych - od 1 nF do 10 µF.
• Stosowane przy średnich częstotliwościach oraz w obwodach RC generatorów i filtrów.
• Kondensatory cienkowarstwowe otrzymywane są przez naniesienie warstw metalicznych i dielektrycznych na podłoże izolacyjne.
• Używa się też kondensatorów dyskretnych i międzypalczastych.
• Kondensatory grubowarstwowe otrzymuje się przez naniesienie warstw przewodzącej, dielektrycznej i przewodzącej na podłoże izolacyjne.
• W technologii SMD stosuje się elementy przyklejane do płytek i lutowane gorącym powietrzem.

Podstawowe parametry kondensatorów

• Podstawowe parametry kondensatorów to: pojemność znamionowa (Cɴ), napięcie znamionowe (Uɴ), tangens kąta stratności (tg δ), prąd upływowy (Iu) i temperaturowy współczynnik pojemności (αc).

Wykonanie pomiarów

• Do wyznaczenia rezystywności dielektryka stosuje się metodę techniczną, czyli pomiar U oraz prądu skrośnego Iv.
• Stosuje się układ z trzema elektrodami (pomiarowa, ochronna, napięciowa).
• Mierzy się wymiary próbki, średnicę elektrody pomiarowej i odstęp między elektrodami.
• Schemat układu pomiarowego obejmuje źródło napięcia, woltomierz, pikoamperomierz i wyłączniki.
• Stosuje się ekranowanie.
• Deelektryzację próbki wykonuje się przez ustawienie wyłączników w odpowiedniej pozycji.
• Mierzy się napięcie zasilające U oraz prąd skrośny Iv dla różnych czasów t.

Tabele i obliczenia

• Wykonuje się tabele wyników pomiarów z podziałem na obliczenia.
• Oblicza się rezystancję skrośną jednominutową Ry/60=U/Iv/60, rezystywność skrośną ρv/60 = Uπ(D+g)²/(Iv/60 4h) i konduktywność skrośną Yv/60 = 1/ρv/60.

Pomiar przenikalności elektrycznej względnej ɛr

• Pomiar względnej przenikalności elektrycznej dielektryków wyznaczamy mierząc pojemności kondensatora powietrznego i wypełnionego dielektrykiem.
• Używa się kondensatora płaskiego z regulowaną odległością okładek, folii dielektrycznych i miernika RLC.
• Mierzy się pojemność kondensatora powietrznego i z dielektrykiem dla różnych częstotliwości.
• Oblicza się pojemność kondensatora probierczego bez dielektryka Co=εοπD²/4h oraz przenikalność elektryczną względną ε = ε' = Cy/Co.