Umumiy tushunchalar Dielektriklarning elektr o‘tkazuvchanligi
Dielektriklar
Reja
Umumiy tushunchalar
Dielektriklarning elektr o‘tkazuvchanligi
Qattiq dielektriklarning elektr o‘tkazuvchanligi
Dielektriklarning qutblanishi
Dielektrik materiallar bu asosiy elektr xususiyati elektr qutblanish qobiliyati bo‘lgan va elektr maydonining mavjudligi mumkin bo‘lgan materiallardir.
Qattiq jismlarning tarmoqli nazariyasiga ko‘ra, dielektriklar tarmoqli bo‘shlig‘i ∆W>3 eV bo‘lgan moddalardir.
Maqsadiga ko‘ra, dielektrik materiallarni elektr izolyatsiya materiallari va faol dielektriklarga bo‘lish mumkin.
Elektr, elektron qurilmalarning turli xil oqim o‘tkazuvchi qismlari o‘rtasida elektr izolyatsiyasini yaratish uchun ishlatiladigan materiallar elektr izolyatsiya materiallari deb ataladi. Faol dielektriklar turli omillar ta’sirida o‘z parametrlarini o‘zgartiradigan materiallardir.
Agregat holatiga ko‘ra dielektrik materiallar qattiq, suyuq va gazsimonlarga bo‘linadi. Maxsus guruhda qattiqlashtiruvchi materiallarni ajratib ko‘rsatishimiz mumkin, dastlabki holatda suyuq, lekin izolyatsiyani ishlab chiqarish jarayonida ular qattiq moddalar, masalan, laklar va aralashmalarga aylanadi.
Kimyoviy tabiatiga ko‘ra dielektrik materiallar organik, noorganik va organoyelementlarga bo‘linadi.
Tarkibida uglerod bo‘lgan materiallar organik materiallar deyiladi. Tarkibida uglerod bo‘lmagan materiallarga noorganik deyiladi. Shu bilan birga, uglerodni o‘z ichiga olgan va noorganik moddalar bilan bog‘liq bo‘lgan bir qator birikmalar mavjud (masalan, olmos, uglerod oksidi, uglerod disulfidi, karbonat kislotasi va uning tuzlari). Organoyelement moddalar molekulalarida oddiy organik moddalarga xos bo‘lmagan elementlarning atomlarini o‘z ichiga olgan moddalar - kremniy, magniy, alyuminiy, titanium va boshqalar. Organik dielektriklar noorganiklarga nisbatan ancha moslashuvchan va elastik, ammo ular kamroq issiqlikka chidamli.
Dielektriklarning ekspluatatsion xususiyatlarini va ularni qo‘llashning mumkin bo‘lgan sohalarini baholash uchun elektromagnit, issiqlik maydonlari, shuningdek, boshqa ta’sirlar ta’sirida dielektriklarda sodir bo‘ladigan fizik hodisalarni bilish kerak.
Dielektrikning elektr maydonidagi harakati molekulalarning qutblanishidan sezilarli darajada ta’sir qiladi. Agar molekuladagi manfiy va musbat zaryadlarning tortishish markazlari mos kelmasa, bunday molekula qutbli molekula, dielektrik esa qutbli dielektrik deyiladi . Polar molekulalar nolga teng bo‘lmagan ichki elektr momentiga ega . Qutbsiz dielektrik molekulalarining ichki elektr momenti nolga teng. Dielektriklarning elektr maydonidagi xatti-harakatlarini tavsiflovchi asosiy elektrofizik xususiyatlar quyidagilardir: elektr o‘tkazuvchanligi, qutblanish, dielektrik yo‘qotishlar, dielektrik kuch (dielektriklarning parchalanishi).
O‘tao‘tkazuvchilar va yarim o‘tkazgichlarning elektr o‘tkazuvchanligi bilan taqqoslaganda, dielektriklarning elektr o‘tkazuvchanligi bir qator xususiyatlarga ega.
1-rasm. Namunaviy dielekrikdagi elektr toki
(1)
dielektrikning umumiy o‘tkazuvchanligi G=I/U massa o‘tkazuvchanligining yig‘indisi Gv=Iv/U va sirt Gs=Is/U:
(2)
Ko‘rsatilgan o‘tkazuvchanliklarning o‘zaro bog‘liqliklari mos ravishda ommaviy Rv deyiladi va sirt Rs qarshiliklar. Umumiy izolyatsiya qarshiligi ikkita parallel natija sifatida aniqlanadi
2-rasm Doimiy kuchlanish berilganda vaqt o‘tishi bilan dielektrikdagi tokning o‘zgarishi
Dielektriklarning elektr o‘tkazuvchanligining keyingi xarakterli xususiyati vaqt o‘tishi bilan oqimning asta-sekin kamayishi (2-rasm). Dielektrik vaqt o‘tishi bilan o‘zgarmaydigan kuchlanishga ulanganda, kontaktlarning zanglashiga olib kirish vaqtida tez kamayib borayotgan Isil siljish toki o‘tadi, uning zichligi elektr siljishi vaqtidagi o‘zgarish tezligi D ga teng: jsil=dD/dt Bu oqim RC vaqt doimiysi tartibidagi vaqtda pasayadi manba-namuna sxemasi, bu juda kichik (10-13...10-15 s). Shunday qilib, birinchi taxmin sifatida shuni aytishimiz mumkin, bu oqim geometrik sig‘imning zaryadlanishi bilan bog‘liq.
Biroq, bundan keyin umumiy oqim o‘zgarishda davom etadi. Bu pasayish bir necha daqiqa va hatto soat davom etishi mumkin va kosmik zaryadlarni qayta taqsimlash, shuningdek, sekin (asosan) va tez polarizatsiya turlarini o‘rnatish bilan bog‘liq (2 - rasmga). Oqimning bu tushadigan qismi deyiladi absorbsiya toki Iabs.
Vaqt o‘tishi bilan, geometrik sig‘im zaryadlanganda, qutblanishning barcha turlari o‘rnatiladi, dielektrikdagi hajm zaryadlarining qayta taqsimlanishi sodir bo‘ladi, vaqt o‘tishi bilan o‘zgarmas elektr toki qoladi, bu oqim It orqali chaqiriladi. sirt va hajm elektr o‘tkazuvchanligi tufayli:
(3)
Dielektriklarning qarshiligini o‘lchashda namunani bir muncha vaqt kuchlanish ostida ushlab turish orqali yutilish oqimini yo‘q qilish kerak.
Har xil dielektriklarni ularning massaviy va sirt elektr o‘tkazuvchanligiga nisbatan qiyosiy baholash uchun hajm qarshiligining qiymatlari ρv va o‘ziga xos sirt qarshiligi ρs. Ixtiyoriy shakldagi dielektrik namunaning o‘ziga xos hajm qarshiligini quyidagi ifodadan topish mumkin:
(4)
bu yerda Rv – ixtiyoriy shakldagi namunaning hajm qarshiligi [Om]; Δ – geometrik parametr [m]. Yassi namuna uchun ∆=S/h (“Umumiy qoidalar” bo‘limiga qarang):
(5)
bu yerda S - namunaning ko‘ndalang kesimi maydoni (o‘lchash elektrodining maydoni [m2]); h - namuna qalinligi [m]. Xususiy hajm qarshiligini bilib, xususiy hajm o‘tkazuvchanligini γv=1/ρv ([Sm∙m-1]) aniqlash mumkin.
Maxsus sirt qarshiligini ifodadan topish mumkin
[Om], (6)
bu yerda d [m] kenglikdagi parallel elektrodlar orasida o‘lchanadigan namunaning sirt qarshiligi Rs [Om], ularning orasidagi masofa l [m]. Maxsus sirt o‘tkazuvchanligi γs=1/ρs [sm] bilan o‘lchanadi.
Gazlarning elektr o‘tkazuvchanligi ularda ma’lum miqdorda zaryadlangan zarrachalarning mavjudligi bilan bog‘liq. Oddiy sharoitlarda zaryadlangan zarrachalar soni (gaz ionlari yoki suspenziyadagi qattiq va suyuq aralashmalar) holati 1 m3 atmosfera havosida bir necha o‘n milliondan oshmaydi.
Gazlardagi zaryad tashuvchilarning kelib chiqishi turli omillar bilan izohlanadi: Yerning radioaktiv nurlanishi; kosmosdan kiruvchi radiatsiya; quyoshdan radiatsiya; ba’zan molekulalarning issiqlik harakati va boshqalar. Bombardimon zarrachaning energiyasi so‘rilganda, gaz molekulasi elektronni yo‘qotadi va musbat ionga aylanadi. Bir vaqtning o‘zida chiqarilgan elektron neytral molekulaga “yopishadi” va manfiy ion hosil qiladi.
Ba’zi hollarda bepul zaryad tashuvchilarning kontsentratsiyasi juda yuqori qiymatlarga yetishi mumkin. Bu odatda gaz molekulalarining fotoionlanishi bilan bog‘liq. Bunday ionlanish, masalan, ta’siri ostida sodir bo‘lishi mumkin ionlashtiruvchi nurlanish: rentgen nurlari va gamma nurlari, neytron oqimlari va boshqalar Zaryadlangan ionlar, shuningdek, elektr zaryadiga ega bo‘lmagan atrofdagi gaz molekulalari tasodifiy termal harakatlarni amalga oshiradi, va natijada diffuziya gazdagi kontsentratsiya va piyozning hizalanishidir. Ijobiy va manfiy ionlar uchrashganda, ular qayta birlashadi. Statsionar holatda, ionlar soni vaqt o‘tishi bilan o‘zgarmasa, zaryadlangan zarrachalarning hosil bo‘lishi va rekombinatsiyasi jarayonlari o‘rtasida dinamik muvozanat o‘rnatiladi.
Keling, gazning o‘ziga xos o‘tkazuvchanligini hisoblaylik. Tashqi elektr maydoni qo‘llanilganda gaz ishqalanish qarshiligini yengib o‘tgan musbat va manfiy ionlar elektrodlar o‘rtasida mos ravishda tezlik bilan harakatlanadi: υ+=μ+E va υ-=μ-E bu yerda µ+ va µ- musbat va manfiy ionlarning harakatchanligi.
1 m3 gazda mavjud bo‘lgan musbat N+ soni o‘rtasidagi bog‘liqlik va salbiy N- ionlar va 1 m3 gazda 1 soniyada rekombinatsiyalanuvchi N ionlar sonini quyidagicha ifodalash mumkin:
(7)
bu erda α - gaz ionlarining rekombinatsiya koyeffitsiyenti [m3/s]. Statsionar holatda, gaz atomlarining ionlanishi va ionlarning rekombinatsiyasi jarayonlari bir xil tezlikda ketsa, N+=N-=N, va Nr=αN2. Havo uchun, masalan, α=1,6∙10-12 m3/s.
Agar maydon kuchi E juda kichik bo‘lsa, oqim oqimi gazdagi ionlar konsentratsiyasini o‘zgartirmasa, oqim zichligini quyidagi ifodadan aniqlash mumkin:
(8)
j=γE (0,3) ekanligini hisobga olib , gazning solishtirma o‘tkazuvchanligi uchun ifodani olamiz:
(9)
(6.8) formuladan ko‘rinib turibdiki, tashqi elektr maydon kuchining past qiymatlarida Nr ,α, µ+ va µ- - doimiy deb hisoblash mumkin bo‘lsa, gazdagi oqim zichligi to‘g‘ridan -to‘g‘ri proportsionaldir. qo‘llaniladigan maydon kuchi. Ya’ni, bu shartlar ostida, Om qonuni kuzatiladi (6.3 - rasmdagi OA qismi). Biroq, qo‘llaniladigan maydon kuchining yanada oshishi bilan ionlarning siljish tezligining oshishi tufayli ularning rekombinatsiyasi ehtimoli kamayadi va asosan barcha ionlar elektrodlarga shoshiladi. Bu to‘yinganlik oqimi jn (AB qismi).
3-rasm Gazdagi oqim zichligi E maydon kuchiga bog‘liqligi (kuchlanish xarakteritikasi)
Havo uchun elektrodlar orasidagi masofa 0,01 m, to‘yinganlik En≈0,5 V/m maydon kuchida erishiladi . Havodagi to‘yinganlik oqimining zichligi juda past va 10-14 A/m2 ga yetadi. OAB segmenti o‘zini o‘zi saqlamaydigan elektr o‘tkazuvchanlik hududi deb ataladi , chunki elektr o‘tkazuvchanligi (erkin zaryad tashuvchilarning kontsentratsiyasi) tashqi ionlashtiruvchilarning kuchi bilan belgilanadi. Maxsus havo qarshiligi qiymati ρ taxminan 1018 Om∙m. E>Ekr kritik qiymatdan yuqori maydon kuchining (BC qism) yanada oshishi bilan oqim zichligi sezilarli darajada oshadi. Bunday intensivlik maydonida (Ekr~106 V/m) molekulalarning elektronlar tomonidan ta’sir ionlanishi jarayonlari, gaz bo‘shlig‘ining parchalanishiga qadar sodir bo‘ladi. Miloddan avvalgi bo‘lim o‘z-o‘zidan o‘tkazuvchanlik maydoni deb ataladi.
Suyuqliklarning elektr o‘tkazuvchanligi suyuqlikning o‘zi yoki uning aralashmalari molekulalarining dissotsiatsiyasi paytida hosil bo‘lgan ionlarga bog‘liq. Molekulalarning xaotik issiqlik harakati energiyasining ortishi tufayli ionlanish darajasi va ionlarning konsentratsiyasi harorat oshishi bilan eksponensial qonunga muvofiq ortadi:
(10)
qayerda W – dissotsiatsiya energiyasi; n0 – ionlarning dastlabki konsentratsiyasi. Shunday qilib, o‘tkazuvchanlik:
(11)
bu yerda q – ion zaryadi; A=n0∙q(µ-+µ+); α=W/k. Manfiy va musbat ionlar µ- va µ+ ning harakatchanligini doimiy deb hisoblasak, A materialni tavsiflovchi doimiydir.
Suyuqlikning o‘tkazuvchanligining logarifmi ichki yarimo‘tkazgichlarda bo‘lgani kabi, o‘zaro harorat 1/T (6.4 – rasm) ortishi bilan chiziqli ravishda kamayadi. Biroq, yarimo‘tkazgichlardan farqli o‘laroq (10), bu yerda α=∆W/2k ∆W tarmoqli bo‘shlig‘i bilan aniqlanadi yarimo‘tkazgich, suyuqliklardagi ko‘rsatkich suyuqlik molekulalarining dissotsilanish energiyasi W bilan aniqlanadi: α=W/k.
Suyuqliklarning solishtirma qarshiligi:
(12)
Suyuqlikning viskozitesi η harorat oshishi bilan eksponent ravishda kamayadi (agar polimerizatsiya yoki boshqa nojo‘ya ta’sirlar bo‘lmasa).
4-Rasm Suyuqlikning solishtirma elektr o‘tkazuvchanligining haroratga bog‘liqligining umumiy ko‘rinishi: AB-ichki o‘tkazuvchanlik. BC-nopoklik o‘tkazuvchanligi
Demak, bunday holda, jarayonlarda ionlarning harakatchanligi va suyuqliklarning ρ(T) o‘tkazuvchanligi ortadi. Shuning uchun ham η(T) ning bog‘liqligi o‘zgarishi, ham n(T) ning o‘zgarishi, ya’ni molekulalarning harorat dissotsiatsiyasi bilan izohlanadi. Molekulalarning dissotsiatsiyasi qutbsiz suyuqliklarga qaraganda qutbli suyuqliklarda osonroq sodir bo'ladi (11.2 – bo‘limga qarang). Qutbli suyuqliklarning dissotsilanish energiyasi qutbsizlarga qaraganda ancha kam bo‘lganligi sababli ularning solishtirma o‘tkazuvchanligi ancha yuqori. Kuchli qutbli suyuqliklar uchun (distillangan suv, etil spirti, aseton) ρ=103...105, ozgina qutbli suyuqliklar uchun (sovol, kastor yog‘i) ρ=108...1010, qutbsizlar uchun (benzol, transformator moyi) ρ>1010... 1013 Om∙m.
Aralashmalari bo‘lgan suyuqliklarda (va ba’zan gazlarda) ba’zan molyar elektr o‘tkazuvchanligi kuzatiladi, bu ikki moddaning (faza) aralashmasi bo‘lgan kolloid tizimlarga xos bo‘lgan, bir faza kichik zarrachalar (tomchilar, donalar) shaklida bo‘ladi chang zarralari va boshqalar boshqasida teng og‘irlikda. Kolloid tizimlardan elektr izolyatsiyalash texnologiyasida eng keng tarqalgani emulsiyalar (har ikkala faza ham suyuqlik) va suspenziyalar (dispers faza qattiq, dispersiya muhiti suyuqlikdir). Emulsiya va suspenziyalarning barqarorligi, ya’ni dispers fazani idish tubiga cho‘ktirmasdan (yoki yer yuzasiga suzmasdan) uzoq vaqt davomida har ikki faza zichligidagi farq tufayli saqlanish qobiliyati tushuntiriladi. dispers faza zarralari yuzasida elektr zaryadlari mavjudligi bilan (bir xil zarracha zaryadi bilan bir-birini itaradi). Dispers fazaning bunday zaryadlangan zarralari molionlar deyiladi. Kolloid sistemaga elektr maydon qo‘llanilganda molionlar harakatlana boshlaydi, bu esa elektroforez ko‘rinishida namoyon bo‘ladi.
Elektroforezdan amaliy foydalanishga misol qilib, metall buyumlarni ularning suspenziyalaridan kauchuk va smolalar bilan qoplash, turli materiallarni elektr maydonida suvsizlantirish va boshqalarni keltirish mumkin.Elektrolizdan farqli o‘laroq, elektroforez yangi moddalar hosil qilmaydi, faqat uning nisbiy konsentratsiyasini o‘zgartiradi. hajmli moddalarning turli qismlarida dispers faza. Molion elektr o‘tkazuvchanligi suyuq laklar va aralashmalarga, namlangan moylarga va boshqalarga xosdir. Uning o‘tkazuvchanlikka qo‘shgan hissasi, ion elektr o‘tkazuvchanligining hissasi kabi, suyuqlikning yopishqoqligiga bog‘liq.
Dielektriklarning elektr o‘tkazuvchanligi, yarim o‘tkazgichlardan farqli o‘laroq, ko‘pincha elektron emas, balki ionli xususiyatga ega. Bu dielektriklardagi tarmoqli bo‘shlig‘i ∆W>>kT ekanligi bilan bog‘liq va faqat oz sonli elektronlarni ularning atomlaridan issiqlik harakati bilan ajratish mumkin. Boshqa tomondan, ionlar ko‘pincha panjara joylarida zaif bog‘langan bo‘lib chiqadi va ularning parchalanishi uchun zarur bo‘lgan W energiya kT bilan taqqoslanadi. Masalan, xona haroratida NaCl kristalida Na ionlarining faollashuv energiyasi WNa=0,85 eV, Cl ionlari – uch barobar ko‘p va elektronlarning faollashuv energiyasi ∆W=6 eV. Xona haroratida issiqlik harakatining o‘rtacha energiyasi atigi 0,025 eV ni tashkil qiladi.
Shuning uchun ionlarning (μion) elektronlarning harakatchanligi (μel) bilan solishtirganda kamroq harakatchanligiga qaramay, erkin ionlarning sezilarli darajada yuqori konsentratsiyasi tufayli ion o'tkazuvchanligi elektrondan yuqori bo‘lib chiqadi: nionqμion>>neleμel.
Termal harakat tebranishlari ta’sirida panjaradan chiqadigan ionlarning harakati bilan bog‘liq. Past haroratlarda zaif bog‘langan ionlar (masalan, aralashma ionlari) harakat qiladi. Yuqori haroratlarda kristall panjaraning ionlari harakat qilish imkoniyatini oladi (6.5 – rasmga qarang). Atom yoki molekulyar kristallarda elektr o‘tkazuvchanligi faqat aralashmalar mavjudligi bilan bog‘liq. Dielektriklardagi zaryad tashuvchilar odatda yuqori harakatchanlikka ega bo‘lgan kichik ionlardir: vodorod o‘z ichiga olgan birikmalardagi protonlar (polimerlar, KH2P04 tipidagi kristallar va boshqalar vodorod aloqalari bilan), natriy ionlari (NaCl, natriy o‘z ichiga olgan shishalar) va boshqalar.
Dielektrikning o‘tkazuvchanligi γ erkin zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi n bilan aniqlanadi va ularning harakatchanligi µ:
(13)
Bunday holda, haroratning o‘zgarishi bilan dissotsilangan ionlar soni nТ eksponensial qonunga muvofiq o‘zgaradi:
(14)
bu yerda n0 – birlik hajmdagi ionlarning umumiy soni; Wd – ion dissotsilanish energiyasi; kT – issiqlik energiyasi.
a) b)
5. Xususiy (a) va aralashmali (b) elektr o‘tkazuvchanlik mexanizmlari (1 – xususiy ionlar; 2 – aralashma ioni)
Ionlarning yo‘naltirilgan harakati (dreyf) tuzoqdan tuzoqqa sakrash (“sakrash o‘tkazuvchanligi”) orqali amalga oshiriladi (5 – rasm). Bunday o‘tishlarning ehtimolligi va shuning uchun ionlarning harakatchanligi haroratga eksponent ravishda bog‘liq:
(15)
bu yerda va µ0 – ionning cheklovchi harakatchanligi; Wo‘ – ionning bir nomutanosiblik holatidan ikkinchisiga o‘tish energiyasi. (14) va (15) ni (13) o‘rniga qo‘yib, o‘ziga xos o‘tkazuvchanlikning haroratga bog‘liqligini olamiz:
(16)
bu yerda b=(Wd+Wo‘)/k, A koeffitsienti esa n0, µ0 va q konstantalarini birlashtiradi. Dielektrikdagi oqim odatda bir necha turdagi zaryad tashuvchilarning siljishi bilan bog‘liq. Bu holda (6.16) quyidagi shaklni oladi:
(17)
Keng harorat diapazonida solishtirma o‘tkazuvchanlik γ logarifmining mutlaq harorat T ning o‘zaro bog‘liqligi. x o‘qiga moyillik burchagining turli qiymatlari bo‘lgan ikkita to‘g‘ri uchastkadan iborat bo‘lishi kerak (6 – rasm). A sinishi nuqtasidan yuqori haroratda elektr o‘tkazuvchanligi asosan ichki nuqsonlar bilan belgilanadi – bu yuqori harorat mintaqasi yoki ichki elektr o‘tkazuvchanligi. Tanaffus ostida, past harorat yoki nopoklik elektr o‘tkazuvchanligi mintaqasida, qaramlik tekisroq bo‘ladi.
6 – rasm. Dielektrikning elektr o‘tkazuvchanligining haroratga bog‘liqligi.
Asosan nopoklarning tabiati va kontsentratsiyasi bilan belgilanadigan elektr o‘tkazuvchanligining qiyin takrorlanadigan past harorat oralig‘idan farqli o‘laroq , ichki o‘tkazuvchanlik qiymati aralashmalarga bog‘liq emas, yaxshi qayta ishlab chiqariladi va ma’lum birikmaning fizik xarakteristikasi hisoblanadi. Bunda γ=f(1/T) bog‘liqligi uzilish kuzatiladigan harorat (4.6 - rasm) materialning tozalik va mukammallik darajasiga kuchli bog‘liq. Nopokliklar va nuqsonlar miqdori ortishi bilan aralashmaning o‘ziga xos o‘tkazuvchanligi oshadi va yuqori haroratlarda ham sezilarli bo‘ladi. lnγ=f(1/T) bog‘liqligi to‘g‘ri chiziqlar kesimlari qiyaligidan zaryad tashuvchilarning aktivlanish energiyasi va ularning tabiatini aniqlash mumkin.
Ion elektr o‘tkazuvchanligi materiyaning o‘tkazilishi bilan birga keladi: musbat ionlar katodga, manfiy ionlar esa anodga qarab harakatlanadi. Elektroliz ayniqsa yuqori haroratlarda, p kichik bo‘lganda va yuqori doimiy kuchlanish qo‘llanilganda yaqqol namoyon bo‘ladi. Zaryad tashuvchilarning tabiatini elektrodlarda chiqarilgan moddadan aniqlash mumkin.
Elektr o‘tkazuvchanligining sof ionli tabiatiga ega bo‘lgan dielektriklar uchun Faradayning o‘tgan elektr miqdori va chiqarilgan moddalar miqdori o‘rtasidagi mutanosiblik qonuniga qat’iy rioya qilinadi.Ba’zi dielektriklar (masalan, TiO2 va boshqa titan o‘z ichiga olgan keramik materiallar) elektron yoki teshik elektr o‘tkazuvchanligiga ega. Biroq, tashuvchilar ko‘pincha asosiy materialning elektronlari emas, balki aralashmalar va nuqsonlardir. Yuqori haroratli sintez jarayonida titan o‘z ichiga olgan keramikalarda kislorodning bo‘sh joylari sezilarli darajada paydo bo‘lib, zaif bog‘langan elektronlar yoki teshiklarni beradi. Kuzatilgan elektr o‘tkazuvchanligi ularga bog‘liq.
Qattiq g‘ovakli dielektriklar, ularda namlik mavjud bo‘lganda, hatto ahamiyatsiz miqdorda, elektr o‘tkazuvchanligini keskin oshiradi (7 – rasm). AB bo‘limida suv molekulalari va dielektrik molekulalarining suvli eritmadagi ionlarga ajralish darajasining o‘zgarishi tufayli qarshilik kamayadi. BC bo‘limi quritish jarayonlari va CD bo‘limiga bog‘liq dielektrik molekulalarning ionlarga dissotsiatsiyasi sodir bo‘ladi.
7 - rasm Haroratning o‘zgarishi bilan namlangan dielektrikning qarshiligining o‘zgarishi
Yuqorida qattiq dielektriklarning elektr o‘tkazuvchanligi elektr maydon kuchining nisbatan past qiymatlarida ko‘rib chiqildi. Katta E da, dielektriklarda elektr o‘tkazuvchanligining elektron komponenti paydo bo‘ladi, bu elektr maydon kuchining ortishi bilan tez o‘sib boradi va shuning uchun Om qonunining buzilishi kuzatiladi.
Elektr maydon kuchlarida E>106 ... 107 V/m, ya’ni buzilish kuchlariga yaqin, elektr o‘tkazuvchanligining maydon kuchining kattaligiga bog‘liqligi Pul qonuniga bo‘ysunadi:
(18)
Bir qator dielektriklar uchun Frenkel qonuni aniqroq bo‘lib chiqdi:
(19)
bu yerda γ0 – kuchsiz elektr maydonlarida elektr o‘tkazuvchanligining qiymati; β1 va β2 – dielektrikning xususiyatlarini tavsiflovchi nochiziqlilik koeffitsientlari; E – elektr maydon kuchining kattaligi.
Elektr qutblanishi – elastik bog‘langan elektr zaryadlarining siljishi yoki dipollarning qo‘llaniladigan elektr maydoni yo‘nalishi bo‘yicha yo‘nalishi. Boshqacha qilib aytganda, elektr polarizatsiyasi modda hajmining umumiy elektr momenti noldan farq qiladi.
Elektr hodisalarini (shu jumladan polarizatsiyani) tavsiflashda odatda elektrodlardan tashkil topgan tizim ko‘rib chiqiladi, ular orasida dielektrik mavjud va bu elektrodlarga kuchlanish qo‘llaniladi . Shunday qilib, strukturaning ma’lum bir qismi (elektr kondansator, kabel, elektr mashinasi yoki transformatorning o‘rashi va boshqalar bo‘lishi mumkin) yoki laboratoriyada uning parametrlarini o‘lchash uchun maxsus tayyorlangan dielektrik materialning namunasi ko‘rib chiqiladi.
Har qanday moddada, undagi erkin zaryad tashuvchilarning mavjudligi yoki yo‘qligidan qat’i nazar, har doim bog‘langan zaryadlar mavjud: atom qobig‘ining elektronlari, ionlar. Tashqi elektr maydon ta’sirida dielektrikdagi bog‘langan zaryadlar o‘zlarining muvozanat holatlaridan siljiydilar: maydon kuchining vektori E yo‘nalishi bo‘yicha musbat, teskari yo‘nalishda manfiy (8 – rasm).
8 – rasm. Qutblangan dielektriklarda (yassi kondensator) zaryadlarni qayta taqsimlanishi: S – qoplama yuzasi (elektrod); h – qoplamalar orasidagi masofa (dielektrik qalinligi)
Natijada, dielektrikning har bir elementar hajmi dV dρ induksiyalangan elektr momentini oladi. Dielektrikda induksiyalangan P elektr momentining hosil bo‘lishi aynan qutblanish hodisasidir. Dielektrik qutblanish o‘lchovi qutblanish vektori (qutblanish, qutblanish intensivligi) bo‘lib, u dielektrik hajmining induksiyalangan elektr momentining nolga moyil bo‘lganda ushbu hajmga nisbatiga tengdir:
(20)
Ta’rifga ko‘ra (20) polarizatsiya o‘lchov birligi [C/m] elektr zaryadining sirt zichligi va elektr siljishi birligiga to‘g‘ri keladi. Oddiy “chiziqli”, ya’ni faol bo‘lmagan dielektriklar uchun vektor P tashqi maydon kuchiga to‘g‘ridan-to‘g‘ri proportsionaldir:
(21)
bu yerda ɛ0≈8,854∙10-12 F/m dielektrik doimiysi; χ - o‘lchamsiz dielektrik sezuvchanlik deb ataladigan parametr bir xil elektr maydonida joylashgan bir xil qutbsiz dielektrik bo‘lsa, dielektrik molekulasining (yoki atomining) induksiyalangan elektr momentining pi kattaligi.
(22)
bu yerda α – koyeffitsiyent [F∙m2 ], u qutblanish deb ataladi va dielektrik atomlari yoki molekulalarining qutblanish qobiliyatini tavsiflaydi. Agar dielektrikning birlik hajmida N0 bo‘lsa molekulalar (atomlar), keyin ularning umumiy elektr momenti quyidagicha:
(21) va (22) ni yuqoridagi tenlamaga qoʻyib, sezuvchanlik ifodasini olamiz:
(23)
Qutblangan dielektrikning molekulalari musbat va manfiy zaryadlarning assimetrik taqsimlanishi tufayli dipoldir va tashqi maydondan mustaqil ravishda o‘z elektr momentiga ega (9 – rasm).
9 – rasm
Molekulaning ichki elektr (dipol) momenti quyidagicha bo‘ladi:
(24)
bu yerda q – molekulaning umumiy musbat (yoki son jihatdan unga teng umumiy manfiy) elektr zaryadi; ℓ - umumiy musbat (+q) va manfiy (-q) zaryadlarning ogʻirlik markazlari orasidagi masofa (dipol qoʻli). An’anaga ko‘ra, dipolning elektr momentining yo‘nalishi manfiy zaryaddan musbat zaryadga olinadi. Qutbsiz dielektrik molekulalarda elektr zaryadlari dipol hosil qilmaydi. Shuning uchun qutbsiz dielektrik molekulalarining ichki elektr momenti 0 ga teng.
Bir xil elektr maydoniga joylashtirilgan bir hil qutbli dielektrik uchun:
(25)
bu yerda po‘ – molekulaning maydon bo‘ylab dipol moment vektori komponentining o‘rtacha qiymati. po‘ qiymati kuch maydonidagi zarralar uchun Boltsman taqsimoti yordamida hisoblanadi:
(26)
bu yerda a=pE/kT; L(a) klassik Langevin funksiyasi. a<< 1 uchun , ya’ni zaif maydonlarda L(a)≈a/3. Bu holda (6.21) dan χ uchun Debay-Langevin formulasini olamiz:
(27)
bu yerda k – Boltsman doimiysi; T – mutlaq harorat. Texnologiya uchun alohida ahamiyatga ega bo‘lgan dielektrikning eng muhim xususiyatlaridan biri uning nisbiy o‘tkazuvchanligidir. ε ning qiymati zaryad nisbati Q ga teng dielektrikli kondensatorning qoplamalarida Q0 zaryadiga bir xil geometrik o‘lchamdagi va bir xil U kuchlanishdagi kondensator qoplamalarida, agar elektrodlar orasida vakuum bo‘lsa:
(28)
bu yerda Qq – dielektrikning qutblanishi tufayli paydo bo‘lgan kondensator qoplamalaridagi qo‘shimcha zaryad (8 – rasmga qarang). (6.28) dan ε<1 bo‘lishi mumkin emasligi kelib chiqadi. C sig‘imini bilish, zaryad Q=CU va (6.28) dan:
(29)
bu yerda C0 – vakuumli kondensatorining sig‘imi (geometrik sig‘im).
(6.29) ifodani tahlil qilib, nisbiy o‘tkazuvchanlikning quyidagi ta’rifini berishimiz mumkin. Nisbiy dielektrik o‘tkazuvchanlikning qiymati ɛ dielektrikli kondensatorning sig‘imi qoplamalar orasidagi vakuumga ega bo‘lgan bir xil geometrik konfiguratsiyadagi kondensatorning sig‘imidan necha marta katta ekanligini ko‘rsatadi. Shuning uchun dielektrikning ɛ qiymati C sig‘imning qiymatini aniqlaydi elektr va radio inshootlari: C=ɛɛ0∆; bu yerda ∆ - geometrik omil.
Dielektrikning nisbiy o‘tkazuvchanligining qiymati birliklar tizimini tanlashga bog‘liq emas. Kelajakda dielektriklarning xususiyatlarini baholash uchun o‘tkazuvchanlikning ushbu qiymati ishlatiladi va qisqalik uchun “nisbiy” so‘zi olib tashlanadi.
Chunki elektr induksiya vektori D dielektrikdagi (elektr siljish vektori) elektr maydon kuchi ɛɛ0E=D=ɛ0E+P keyin (6.20) dan foydalanib, biz dielektrik o‘tkazuvchanlikni ɛ ni dielektrik sezgirligi χ bilan bog‘lashimiz mumkin:
(30)
ushbu ifodadan χ ni (6.23) o‘rniga qo‘yib, biz ε dielektrikning makroskopik xarakteristikasining bog‘lanishini olamiz dielektrik molekulalarning qutblanishining mikroskopik xarakteristikasi α bilan:
(31)
|
