Что такое диэлектрики и где они используются

Применение сверхпроводников

Сверхпроводники еще не получили широкое применение, однако разработки в этой области активно ведутся. Так благодаря эффекту Мейснера возможны «парящие» над дорогой поезда на магнитной подушке – маглевы.

На основе сверхпроводников уже создаются сверхмощные турбогенераторы, которые могут применяться на электростанциях.

Поезд на магнитном подвеске в Шанхае, Китай

Криотрон – еще одно применение сверхпроводимости, которое может быть полезно для техники и электронных приборов. Это такое устройство, которое может переключать состояние сверхпроводника из обычного в сверхпроводящее за очень короткое время (от 10⁻⁶ до 10⁻¹¹с). Криотроны могут быть использованы в информационных системах, связанных с запоминанием и кодированием. Так впервые они применялись как запоминающие устройства в ЭВМ. Также криотроны могут помочь в области криоэлектроники, среди задач которой – повысить чувствительность приемников сигнала и сохранить форму сигнала как можно лучше. Здесь достижению поставленных целей способствуют низкие температуры и эффект сверхпроводимости.

Также, в силу отсутствия сопротивления в сверхпроводниках, кабели из такого вещества доставляли бы электричество без потерь на нагревание, что значительно бы повысило эффективность электроснабжения. Сегодня такие кабели требуют охлаждения посредством жидкого азота, что повышает цену на их эксплуатацию. Однако, исследования в этой сфере ведутся, и первая электропередача на основе сверхпроводников была приведена в эксплуатацию в Нью-Йорке 2008-м году компанией American Superconductor. В 2015-м году Южная Корея объявила о намерении создать несколько тысяч километров сверхпроводящих линий электропередач. Если добавить к этому недавнее открытие сверхпроводимости графена при комнатной температуре, то в ближайшее время следует ожидать глобальные изменения в области электроснабжения.

Самая близкая к идеальной сфера из всех когда-либо созданных человеком — ротор гироскопа GP-B. Сфера сделана из кварцевого стекла и покрыта тонкой плёнкой сверхпроводящего ниобия. Поверхности кварца отполированы до атомарного уровня.

Кроме указанных областей применения, сверхпроводимость применяется в измерительной технике, начиная от детекторов фотонов и заканчивая измерением геодезической прецессии посредством сверхпроводящих гироскопов на космическом аппарате «Gravity Probe B». Это измерение подтвердило предсказание Эйнштейна о наличии таковой прецессии по причинам, изложенным в Общей теории относительности. Не углубляясь в механизм измерения, следует отметить, что данные о геодезической прецессии Земли позволяют точно калибровать искусственные спутники Земли.

Подводя итоги написанного выше, напрашивается вывод о перспективности эффекта сверхпроводимости во множестве областей, и большом потенциале сверхпроводников, в первую очередь в сферах электроснабжения и электротехники. Ожидаем в ближайшее время множество открытий в данной области.

https://youtube.com/watch?v=L8YEdHYhuLs

Примеры применения

Конструктивные элементы для удержания нагревательных элементов в фенах, калориферах, тепловентиляторах, паяльниках и т.д.

Нагреватели бытовых тепловентиляторов. Конструкция слева менее материалоемкая, но значительно менее надежная, особенно в условияхмеханических нагрузок.

Как защитное окошко выхода микроволнового излучения от магнетрона в микроволновках. (обычно попадая на слюду еда обугливается, и становясь проводником, начинает бурно искрить, от чего владельцы микроволновки со страху микроволновку выбрасывают, хотя достаточно вырезать пластинку из листа слюды и заменить окошко.)

Слюдяное окошко в микроволновке. Иногда встречаются пластиковые, но только у моделей без гриля.

Благодаря тому, что тонкие пластинки слюды не пропускают газы, но пропускают энергичные заряженные частицы — слюдяные окошки используются в конструкциях счетчиков альфа и бета частиц.

Используется в конструкциях радиоламп — удерживает электроды на своих местах.

Восьмигранная пластинка изготовлена из слюды.

Используется как материал слюдяных конденсаторов. Слюда выступает диэлектриком, а электродами — проводящее напыление металла на пластинках слюды. Данный вид конденсаторов встречается всё реже и реже, вытесненный конденсаторами на базе полимерных пленок. Слюдяные конденсаторы могут работать при высокой температуре.

Слюдяные конденсаторы производства СССР полувековой давности.

Пластинки слюды в конденсаторе. Металлизация на пластинках формирует обкладки.

До появления и широкого распространения теплопроводящих изолирующих прокладок из полимерных материалов, вроде Номакон, слюдяные пластинки использовались для электрической изоляции компонентов при сохранении теплового контакта, например, когда необходимо на один радиатор закрепить несколько транзисторов, корпуса которых под разными напряжениями.

Пластинки природной щипаной слюды.

Природная слюда прозрачна. Слюдоматериалы полученные переработкой природной слюды как правило непрозрачны.

Проводники на печатных платах

Как вы знаете, все схемы состоят из проводов или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье “самый простой усилитель звука“, я с помощью проводов соединял различные радиоэлементы, и у меня получилась схема, которая усиливала звуковые частоты.

Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают “проводки”, которые уже называются “печатными дорожками”.

В домашних условиях все это делается с помощью технологии ЛУТ (Лазерно-Утюжная-Технология). 

На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы

Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает. Поэтому, в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.

Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев, как торт из коржей:

Бум  SMD  технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.

Пробой диэлектрика

При всех указанных явлениях в диэлектрике после приложения напряжения через больший или меньший промежуток времени создается стационарное или квазистационарное (при переменном напряжении) состояние, характеризуемое устойчивыми во времени значениями поляризации, электропроводности или соответственно диэлектрических потерь. Однако, если увеличивать напряженность поля, то имеется некорый предел, выше которого стационарное состояние нарушается. Текущий через него ток начинает ускоренно возрастать во времени, электропроводность резко увеличивается, вещество перестает быть диэлектриком и становится проводником, происходит пробой.

Характеризующее пробой прогрессирующее во времени возрастание электропроводности может находиться в зависимости от рода вещества и его агрегатного состояния, а также таких факторов, как температуpa, вид напряжения, длительность воздействия напряжения и т. д., и обусловлено различными явлениями. Эти явления могут быть сведены в две основные группы:

1. явления тепловые: возрастание электропроводности обусловлено прогрессирующим разогревом диэлектрика, выделяющимися в нем потерями; пробой наступает тогда, когда стационарное тепловое состояние его становится невозможным;
2. явления чисто электрические: возрастание электропроводности обусловлено увеличением числа свободных зарядов в результате либо ударной ионизации, т. е. срыва связанных зарядов движущимися зарядами, либо срыва связанных зарядов непосредственно самим полем.

Диэлектрики находят широкое применение в технике как электроизолирующие материалы.

Диэлектрики

В отличие от проводников, диэлектрики не проводят электроток, то есть являются изоляторами. Принято относить к диэлектрикам материалы, у которых удельное электрическое сопротивление составляет 108 Ом·м и выше.

Диэлектрики характеризуются большим количеством параметров, которые имеют различную степень важности, в зависимости от области применения. До начала развития электроники диэлектрики использовались, в подавляющем большинстве, в качестве изоляционных материалов

В данной области основным параметром диэлектриков являлось их удельное сопротивление, пробивное напряжение (электрическая прочность).

Остальные параметры относятся к физико-химическим свойствам:

• Плотность;
• Прочность;
• Температура плавления;
• Гигроскопичность.

Последний параметр важен тем, что наличие влаги в составе материала резко снижает удельное сопротивление и в определенных условиях может перенести хороший диэлектрик в область проводников (сухая древесина – влажная древесина).

Диэлектрические перчатки

Диэлектрики, работающие в цепях с высокочастотным током, классифицируются по:

• Диэлектрической проницаемости;
• Тангенсу угла потерь.

Данные характеристики являются основополагающими при изготовлении конденсаторов.

Ряд уникальных свойств присутствует только у диэлектриков и позволяет конструировать на их основе радиоэлектронные компоненты специального назначения. Это такие свойства, как:

• Пьезоэлектричество;
• Сегнетомагнетизм;
• Сегнетоэлектричество;
• Пироэлектричество;
• Электретность.

Пьезоэлектрический излучатель

Основное назначение диэлектриков, как изоляционных материалов – предохранение утечек тока и предотвращение несчастных случаев и аварий. Данные мероприятия зачастую дублируют, устанавливая заземляющие проводники, которые отводят нежелательный потенциал на корпусе аппаратуры на заземление.

Что такое проводники и диэлектрики

Проводники это вещества, имеющие в своей структуре массу свободных электрических зарядов, способных перемещаться под воздействием внешней силы по всему объёму материала.

К группе проводников в электростатическом поле относят металлы и их соединения, некоторые виды электротехнического угля, растворы солей (кислот, щелочей), ионизированные газы.

Лучшим проводящим материалом считается металл, например, золото, платина, медь, алюминий. К неметаллическим веществам, проводящим ток, относится углерод.

Проводник

Диэлектрики – вещества, противоположные по своим свойствам проводникам. При отсутствии нагревания заряженные частицы в нейтральном атоме тесно взаимосвязаны и не могут осуществлять движения в объеме материала. В связи с этим электрический ток в непроводнике протекать не может.

Диэлектрик

К материалам, непроводящим электрический ток, относят: керамику, резину, бумагу, стекло, фарфор, смолу, сухую древесину. Лучшим диэлектриком считается газ. Качества диэлектриков зависят от температуры и влажности среды, в которой они находятся.

Проводники и диэлектрики активно используют в электротехнической области. Пример – материалом, из которого производят провода (кабели), служат проводники, изготовленные из металла. Изолирующие оболочки для них производят из диэлектриков – полимеров.

Свойства материалов

Лучшими считаются проводники, сырьем для производства которых послужило серебро, золото или платина. Повсеместное их использование ограничивается только большой стоимостью материала. Такие изделия нашли применение в оборонной и космической промышленности

В этих сферах важно обеспечение самого высокого качества оборудования, независимо от его стоимости

Гораздо шире область применения медных и алюминиевых материалов. Невысокая стоимость и отличные проводящие качества позволили использовать их во многих отраслях хозяйствования.

В диэлектриках повышение температуры может приводить к возникновению свободных электрических зарядов. Это электроны, оторвавшиеся от ядра из-за температурных колебаний. Обычно это небольшое количество свободных зарядов. Но существуют изоляторы, в которых это число достигает существенных размеров. В этом случае изоляционные качества диэлектрика ухудшаются.

Обратите внимание! Надежным считается диэлектрик, если возникающий в нём небольшой ток утечки не мешает работе всей системы. Лучшим диэлектриком считается абсолютный вакуум, а также полностью очищенная вода

Но таковых в природе не найти, а создать их искусственным путём очень сложно. Включение в жидкость любой примеси обеспечивает ей проводящие качества

Лучшим диэлектриком считается абсолютный вакуум, а также полностью очищенная вода. Но таковых в природе не найти, а создать их искусственным путём очень сложно. Включение в жидкость любой примеси обеспечивает ей проводящие качества.

И наконец мы дошли до полупроводников

Свои свойства полупроводник имеет потому, что в его структуре очень мало частиц, являющихся свободными носителями, а может быть такое, что их там вовсе нет. Но, стоит повлиять на них определенной энергией — и они появляются и активно двигаются.

Энергия может быть не только электрической, также можно воздействовать тепловой энергией, или различными излучениями. Например, свободно движущиеся элементы появляются при влиянии излучения в УФ-Спектре.

Материалами с такими свойствами являются германий, кремний, так же это может быть смешение арсенида и гелия, мышьяк, селен и прочие.

Применение полупроводников может быть различное. Из данного материала делают микросхемы, светодиоды, транзисторы, диоды и многое другое.

Для того, чтоб более подробно объяснить работу полупроводника, применим к нему так называемую зонную теорию. Упомянутая теория объясняет существование или неимение свободных заряженных частиц в отношении конкретных энергетических уровней.

Энергетический уровень (слой) — это число простых частиц, таких как молекул, атомов, то есть электронов. Данный показатель измеряется в Электронвольтах (ЭВ).

Следует обратить внимание на то, что слои проводника составляют непрерывную диаграмму от зоны валентности и до зоны проводимости. Если эти две зоны осуществляют накладку друг на друга, то возникает зона перекрытия

В соответствии с влиянием некоторых влияний, например электрических полей, температурного режима и прочего, число электронов может меняться.

Исходя из вышеописанных процессов электроны при минимальной энергетическом воздействии начинают движение в проводнике.

Полупроводники между двумя вышеупомянутыми зонами имеют еще зону запрещенную. Величина данной зоны показывает количество той энергии, которой будет достаточно для проведения тока.

Диэлектрики по структуре похожи на полупроводники, но их защитный шар намного больше благодаря внутренним связям материала.

Мы рассказали о главных свойствах проводников, полупроводников и диэлектриков. Можно сделать вывод, что отличаются они друг от друга своей проводимостью тока. Именно из-за этого у каждого материала есть своя зона применения.

Так, проводники применяются там, где нужна стопроцентная проводимость тока.

Использование диэлектриков приходится на изготовление различной  изоляции токопроводящих участков.

Ну, а полупроводники активно применяют в электронике.

Думаем, данная статья раскрыла перед вами все нюансы работы проводников, диэлектриков и полупроводников, их основные отличия и сферы применения.

Пробой диэлектрика

Помните мы в данной статье уже говорили о том, что у каждого диэлектрика есть свой предел и что нельзя однозначно называть вещество диэлектриком и нужно рассматривать его в динамике. Так вот, давайте вернемся к этой теме и немного углубимся в нее. Знаете ли вы, что происходит при поляризации?

Дело в том, что при этом явлении начинается такое состояние, называемое стационарным или же квазистанционырным, если воздействие напряжения извне переменное. Такое состояние отличается от обычного тем, что значения поляризации могут очень долго держаться на одном уровне. Вместе с ними стабилизируется и электропроводность.

Если сразу же начать увеличивать напряженность в таком поле, то можно будет очень точно определить тот предел, при котором эта самая стабильность будет резко нарушаться. Сразу же увеличиться ток, электропроводность, а это уже прямой путь из диэлектрика в проводники. Действительно, после этого вещество уже нельзя охарактеризовать, как диэлектрик. Такой процесс перехода диэлектрика в проводники называется пробоем диэлектрика.

Когда мы поняли, что такое пробой, давайте теперь поймем, как можно легко определить, в какой момент пробой диэлектрика происходит

Как мы можем понять, временной порог пробоя может зависеть от температуры, агрегатного состояния вещества и многих других факторов, тут важно другое. Давайте разберем основные случаи пробоя, их всего лишь два, поэтому не пугайтесь:

• тепловые явления, при которых возрастающая электропроводность обуславливается тем, что диэлектрик очень быстро нагревается, из-за чего стационарным тепловое состояние уже быть не может
• электрические явления, которые происходят из-за увеличения количества свободных электронов и ионов. Это тоже происходит в двух случаях. Либо появление свободных зарядов обусловлено сбитием их другими движущимися зарядами, либо сбитием полем.

Элегаз

Диэлектрики могут быть газообразными. Сухой воздух — хороший диэлектрик, но в некоторых задачах его электроизоляционные свойства недостаточны. Пример газообразного диэлектрика — гексафторид серы или «элегаз», он тяжелее воздуха и имеет пробивное напряжение в несколько раз выше, чем у воздуха, что позволяет сделать электрическую машину компактнее. Кроме того, элегаз обладает дугогасящими свойствами, и при контакте с дугой практически не деградирует, рекомбинируя обратно.

Довольно забавный опыт, когда вдохнув гелия голос человека становится выше с элегазом выглядит иначе — голос становится ниже. Другое видео: Пара гелий — гексафторид серы Так как элегаз тяжелее воздуха, в нем может плавать легкая лодка.

Упражнения

Упражнение №1

Почему заряженный электроскоп разряжается, если его шарика коснуться рукой?Наше тело является проводником электричества. Когда мы касаемся шарика заряженного электроскопа, заряд (свободные электроны) переходит в наше тело. При нашем соприкосновении с полом и землей, заряд уйдет туда. Так происходит, если электроскоп заряжен отрицательно.

Если же электроскоп заряжен положительно, то коснувшись его, мы нейтрализуем заряд, сообщив ему некоторое количество электронов. Ведь, являясь проводником, в нашем теле имеется большое количество свободных электронов.

Упражнение №2

Почему стержень электроскопа изготавливают из металла? Металлы — хорошие проводники. Металлический стержень может передавать заряд от шара к лепесткам.

Если сделать стержень из диэлектрика, то заряд передаваться не будет, электроскоп окажется нерабочим.

Упражнение №3

К шарику незаряженного электроскопа подносят тело, заряженное положительно, не касаясь его

Какой заряд возникнет на листочках электроскопа? Обратите внимание, что тело не касается электроскопа. При его приближении на шаре образуется отрицательный заряд, а на лепестках — положительный

Электрическое поле положительно заряженного тела будет действовать на электроскоп, свободные электроны придут в движение. Силы притяжения между разноименными зарядами заставят их собраться на шаре. В другой части электроскопа (на лепестках) образуется недостаток электронов, образуется положительный заряд.

Слюда

Слюда. Природный слоистый материал, обладает термостойкостью, прочностью, прекрасный диэлектрик. Слюды — большой класс слоистых минералов, из них в технике используется в основном мусковит и иногда биотит и флогопит.

По английски слюда — Mica, отсюда производные названия материалов на базе слюд — миканиты, микалента, микафолий, микалекс и т.д.

Слюда, добытая в руднике, разбирается, сортируется. Крупные куски вручную расщепляются на пластинки — так получается щипаная слюда — прозрачные однородные пластинки. Такая слюда обладает самым высоким качеством и идет на ответственные применения — в вакуумной технике, окна ввода/вывода излучения и т.д. К сожалению, крупные однородные куски слюды без дефектов — редкость, поэтому пластинки из слюды разной формы склеивают воедино, так получается миканит. Если в качестве подложки для наклеивания пластинок слюды использовать ткань (стеклоткань, бумагу) получается микалента, микафолий, стекломиканит. Совсем мелкие отходы слюды размалываются, и в виде водной пульпы отливаются на сетку, также как бумага. После удаления воды частички слюды слипаются в единое полотно — получается слюдяная бумага (слюдинит, слюдопласт). Получившееся полотно для прочности может пропитываться органическим связующим. Гибкость слюдяной бумаги позволяет наматывать её в качестве изоляции. Также намоткой можно получить стержни, трубки. Если пропитать слюду расплавленным стеклом, то получившийся прочный материал называется микалекс.

Перемолотая в пыль слюда — компонент пигментов, благодаря своей «чешуйчастости» дает перламутровый эффект. В пигментах используется в основном биотит.

Синтетический материал — фторфлогопит (synthetic mica) — это слюда (флогопит) где -OH группы заменены фтором. Фторфлогопит более прочен и термически стоек, выглядит также как слюда, тоже слоистый но абсолютно прозрачный/белый, а не желтоватого оттенка, как природная слюда. Увы, пока с этим материалом живьем не сталкивался.

Использование

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.

Пассивные свойства

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, то есть с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определённой ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активные свойства диэлектриков

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

Характеристики и физические свойства материалов

Параметры проводников определяют область их применения. Основные физические характеристики:

• удельное электрическое сопротивление — характеризует способность вещества препятствовать прохождению электрического тока;
• температурный коэффициент сопротивления — величина, характеризующая изменение показателя в зависимости от температуры;
• теплопроводность — количество тепла, проходящее в единицу времени через слой материала;
• контактная разность потенциалов — происходит при соприкосновении двух разнородных металлов, применяется в термопарах для измерения температуры;
• временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении — зависит от вида металла.

При охлаждении до критических температур удельное сопротивление проводника стремится к нулю. Это явление называется сверхпроводимостью.

Свойства, характеризующие проводник:

• электрические — сопротивление и электропроводимость;
• химические — взаимодействие с окружающей средой, антикоррозийность, способность соединения при помощи сварки или пайки;
• физические — плотность, температура плавления.

Особенность диэлектриков — противостоять воздействию электротока. Физические свойства электроизоляционных материалов:

• диэлектрическая проницаемость — способность изоляторов поляризоваться в электрическом поле;
• удельное объёмное сопротивление;
• электрическая прочность;
• тангенс угла диэлектрических потерь.

Изоляционные материалы характеризуются по следующим параметрам:

• электрические — величина пробивного напряжения, электрическая прочность;
• физические — термостойкость;
• химические — растворимость в агрессивных средствах, влагостойкость.

Типы проводников

Процессы образования электротока в разных средах отличаются определенными особенностями:

• В металлах заряд перемещается свободными отрицательными частицами — электронами. Само вещество не переносится — ионы металла останутся в узлах кристаллической решетки. В процессе нагрева хаотичные колебания ионов усилятся, что препятствует упорядоченному передвижению электронов.
• В жидкостях заряд перемещают ионы, формирование которых вызывает электролитическая диссоциация. Упорядоченное передвижение в такой ситуации является их перемещением к противоположно заряженным электродам, где они будут нейтрализованы и осядут.
• В газах под воздействием разницы потенциалов формируется плазма. Заряженные частицы — ионы, положительные и отрицательные, и свободные электроны, которые формируются под действием ионизатора.
• В вакууме электроток присутствует как электроны, движущиеся от катода к аноду.
• В полупроводниках будут участвовать электроны, которые перемещаются от 1 атома к 2, и формируются вакантные участки — дырки, считающиеся плюсовыми.

При невысокой температуре полупроводники приблизятся по качествам к изоляторам. В процессе повышения температурных показателей валентные электроны получат необходимую, чтобы разорвать связи, энергию и станут свободными. С увеличением температуры улучшается проводимость полупроводника.

Важно! Положительно заряженные ионы направляются к отрицательному электроду, отрицательные ионы — к плюсовому. Во время увеличения температурных показателей проводимость электролита возрастет, поскольку увеличивается количество разложившихся на ионы молекул