Materiale utilizate in sisteme I. T
Yüklə 320,04 Kb.
|
|
PARTEA I MATERIALE UTILIZATE IN SISTEME I.T. 1.1. DEFINIÞII. CLASIFICARE Dielectricii sunt materiale care se caracterizeazã prin stãri de polarizaþie electricã cu funcþie de utilizare. Prin stare de polarizaþie electricã se înþelege starea materiei caracterizatã prin moment electric al unitãþii de volum diferit de zero. Starea de polarizaþie electricã poate fi temporarã dacã depinde de intensitatea localã a câmpului electric în care este situat dielectricul ºi permanentã dacã nu depinde de intensitatea localã a câmpului electric Polarizarea temporarã poate fi: polarizare de deplasare (electronicã sau ionicã); polarizare de orientare dipolarã. universalã a materiei, fiind uneori denumit ºi polarizare opticã datoritã faptului cã intervine în propagarea prin dielectric a câmpurilor electromagnetice de frecvenþe foarte ridicate situate în domeniul infraroºu, vizibil sau ultraviolet. în general, materialele care prezintã numai polarizare de deplasare electronicã sunt denumite materiale nepolare. Polarizarea de deplasare ionicã (atomicã) reprezintã deplasarea limitatã ºi elasticã sub acþiunea câmpului electric a ionilor dielectricului (fig. 1.1,6). Acest mecanism de polarizare este specific dieleetricilor cu legãturi preponderent ionice. Polarizarea de orientare dipolara reprezintã orientarea pe direcþia câmpului electric aplicat a momentelor electrice existente în material, mo- Polarizarea de deplasare electronicã reprezintã deplasarea limitatã ºi elasticã, sub acþiunea câmpului electric, a înveliºurilor electronice ale atomilor dielectricului (fig. 1.1, a). Acest mecanism de polarizare este o proprietate
Pentru dielectricii a cãror structura conþine defecte pot apãrea, sub acþiunea câmpului electric aplicat, deplasãri limitate dar inelaslice ale ionilor sau/ºi polaronilor, cu localizarea acestora pe defecte ale structurii, pe pereþii intergranulãri etc. Astfel de mecanisme de polarizare, denumite uneori polarizãri structurale, interfaciale, polaronice etc, sunt în general nedorite deoarece mãresc dependenþa performanþelor dielectrice de frecvenþa câmpului ºi de temperatura ambiantã. Polarizarea permanentã poate fi: spontanã (piroelectricã); piezoelectricã. Polarizarea spontanã reprezintã ordonarea dielectricã care apare pe domenii de temperaturã în structuri necentrosimetrice cu axã polarã în absenþa câmpului electric exterior, din condiþii de minimizare a energiei libere a structurii. Deoarece energia liberã este dependentã puternic de temperaturã, starea de polarizaþie spontanã va depinde de asemenea de temperaturã, motiv pentru care acest mecanism de polarizare este denumit polarizare piroelectricã. Din categoria dielectricilor cu polarizare spontanã utilizãri practice au cristalele feroelectrice (cristale dielectrice cu polarizare spontanã a cãrei direcþie, sau sens poate fi schimbatã prin acþiunea unui câmp electric exterior). Polarizarea piezoelectricã reprezintã polarizarea care apare în structurile necentrosimetrice sub acþiunea tensiunilor mecanice aplicate structurii. Cristalele care prezintã polarizare sub acþiunea tensiunilor mecanice (efect piezoeiectric direct) posedã de asemenea ºi proprietatea de deformare a structurii cristaline sub acþiunea câmpului electric exterior (efect piezoelectric invers). Stãri de polarizaþie cvasipermanente (denumite polarizãri de tip electret) pot fi create în anumite tipuri de aielectrici prin tratament termic în câmp electric (termoelectret) iluminare în prezenþa câmpului electric (foto-electret), iradiere cu radiaþii â (pseudoelectret). De menþionat cã într-un dielectric îºi manifestã prezenþa în majoritatea cazurilor nu numai unul, ci mai multe dintre mecanismele de polarizare. Astfel, toate tipurile de polarizare permanentã sunt însoþite ºi de polarizare de deplasare electronicã, polarizarea structuralã se adaugã în anumite cazuri polarizãrii de deplasare ionice etc. Mecanismele de polarizare prezentate condiþioneazã principalele funcþii pe care le îndeplinesc dielectricii, funcþii care îi fac utilizabili în electronicã. In tabelul 1.1 sunt sistematizate aceste funcþii, efectele fizice care le condiþioneazã, precum ºi principalele utilizãri.
1.2. FUNCÞIILE DIELECTRICILOR 1.2.1. FUNCÞIA DE DIELECTRIC PENTRU CONDENSATOARE Interacþiunea unui dielectric izotrop cu câmpul electric este caracterizatã în domeniul liniar de permitivitatea complexã relativã: µ § MERGEFORMAT unde µ § este reprezentarea în complex simplificat a inducþiei câmpului electric; µ §¡ª reprezentarea în complex simplificat a intensitãþii câmpului electric; µ §, permitivitatea vidului. Un material dielectric cu permitivitatea complexã relativã µ § se introduce între armãturile unui condensator avînd în vid capacitatea Co (fig. 1.3). In aproximaþia cã liniile câmpului electric se închid în întregime prin material (efectele de margine sunt neglijabile), admitanþa la bornele condensatorului are expresia µ § Deci condensatorul cu material dielectric între armãturi este echivalent unui condensator fãrã pierderi avînd capacitatea de µ §ori mai mare (Cech = =µ §) ºi unei rezistenþe de pierderi în paralel de valoare µ §. Din schema echivalentã se observã cã µ §, partea realã a permitivitãþii complexe relative, caracterizeazã dielectricul din punctul de vedere al capacitãþii sale de a se polariza, iar partea imaginarã µ §, din punctul de vedere al pierderilor de energie în material. Principala funcþie pe care dielectricul o îndeplineºte prin introducerea sa între armãturile condensatorului constã deci, indiferent de mecanismul sãu de polarizare, în creºterea de µ §ori a capacitãþii condensatorului la aceleaºi dimensiuni geometrice. Proprietatea este larg utilizatã atât în tehnica condensatoarelor discrete, cât ºi în cea a circuitelor integrate hibride. Inevitabil, prin introducerea dielectricului în câmp electric, o parte din energia câmpului se disipã în material transformîndu-se în majoritatea cazurilor în cãldurã. Energia disipatã în unitate de timp în material sub influenþa ºi pe seama câmpului electric, constituie pierderile în dielectric. Se defineºte ca tangenta a unghiului de pierderi al materialului (fig. 1.3) raportul: µ § unde Pa ºi Pr sint respectiv puterea activã ºi puterea reactivã la bornele condensatorului. Inversul tangentei unghiului de pierderi se numeºte factor de calitate al materialului dielectric µ §µ §
Intr-un dielectric anizotrop liniar, permitivitatea complexã relativã se defineºte analog relaþiei (1.1) ca un tensor de proporþionalitate între vectorii inducþiei ºi intensitate a câmpului electric unde µ §
µ § este matricea asociatã reprezentãrii în complex simplificat a vectorului inducþiei electricã ; matricea asociatã reprezentãrii în complex simplificat a vectorului câmp electric. Tensorul permitivitate complexã relativã este deci un tensor de ordinul doi in spaþiul tridimensional. Din consideraþii termodinamice rezultã cã ten- sorul permitivitãþii dielectrice este simetric µ § avînd urmãtoarea formã generalã: µ §
1.2.2. FUNCÞIA DE IZOLAÞIE ELECTRICÃ Pierderile în dielectrici fiind în general reduse, valoarea rezistenþei echivalente Rech din figura 1.3 este mare, adicã dielectricii îndeplinesc în foarte bune condiþiuni funcþia de izolaþie între piese conductoare de cele mai diverse tipuri. Aceste materiale sunt folosite în electronicã pentru fabricarea pieselor ºi subansamblelor electroizolante discrete (socluri, comutatoare, clape, casete etc.) ºi pentru impregnarea, umplerea sau protecþia componentelor discrete ºi circuitelor integrate. In acest scop, materialul trebuie sã prezinte simultan cu valoarea ridicatã a rezistenþei de izolaþie, o permitivitate redusã, adicã o valoare micã a capacitãþii echivalente Cech din figura 1.3, pentru a evita cuplajul capacitiv între piesele izolate, în special pentru domeniul frecvenþelor inalte. In câmpuri electrice intense, dielectricul pierde proprietatea sa de izolaþie prin strãpungere dielectricã. Valoarea intensitãþii câmpului la care acest fenomen se produce poartã numele de rigiditate diehetricã. In electronicã sunt în general necesare rigiditãþi dielectrice mari, condiþionate nu atât de tensiuni de lucru ridicate (în multe cazuri de ordinul volþilor sau zecilor de volþi), cât mai ales de grosimi foarte mici ale izolanþilor (uzual de ordinul micrometrilor). 1.2.3. FUNCÞII NELINIARE ªl PARAMETRICE Pentru clasa cristalelor feroelectrice, permitivitatea realã relativã µ § este dependentã de valoarea efectivã a câmpului electric alternativ ºi de intensitatea câmpului electric continuu aplicate dielectricului Aceastã dependenþã este utilizatã pentru realizarea unor funcþii de circuit neliniare ºi parametrice bazate în principal pe aplicarea la bornele unui condensator cu feroelectric, neliniar a unei tensiuni de-comandã (continuã sau de frecvenþã joasã) ºi introducerea acestui condensator într-un circuit de sarcinã de frecvenþã ridicatã. In funcþie de valoarea tensiunii de comandã, permitivitatea realã a feroelectricului, deci capacitatea condensatorului neliniar va varia, modificând astfel curentul prin circuitul de sarcinã. Pe acest principiu, cu modificãri corespunzãtoare ale schemelor se realizeazã: amplificatoare dielectrice, stabilizatoare dielectrice de curent ºi de tensiune, modulatoare diplectrice pentru modulaþie de amplitudine sau modulaþie de fazã. 1.2.4. FUNCÞIA DE TRADUCTOR PIEZOELECTRIC Cristalele cu polarizare piezoelectricã îndeplinesc în dispozitive atât funcþia de traductor piezoelectric direct, transformînd energia mecanicã în energie electricã (microfoane cu cristal, doze pick-up generatoare de tensiune înaltã pentru aprindere etc.), cât ºi funcþia de traductor piezoelectric invers translormând energia electricã în energie mecanicã (traductoare pentru curãþire cu ultrasunete, traductoare pentru sudurã cu ultrasunete, antene emiþãtoare de ultrasunete etc). Efectul piezoelectric se aflã de asemenea la baza familiei de dispozitive
1.2.5. FUNCÞIA DE TRADUCTOR ELECTROOPTIC Proprietãþile electrooptice ale cristalelor cu polarizare spontanã (cristalele feroelectrice, cristalele lichide) permit acestora îndeplinirea funcþiei de modulare comandatã electric a intensitãþii unui fascicul luminos transmis sau reflectat de cãtre dielectric. Pe baza acestei funcþii se realizeazã diapozitivele de afiºaj alfa-numerice sau analogice ºi memoriile optodielectrice de mare capacitate.Interacþiunea undelor luminoase ºi a undelor elastice în interiorul sau la suprafaþa unui mediu dielectric permite realizarea funcþiei de deflexie, comandatã electric, a unui fascicul luminos, care se propagã prin dielectric. 1.2.6. FUNCÞIA DE TRADUCTOR PiROELECTRlC Variaþia cu temperatura a polarizaþiei spontane a cristalelor feroelectrice permite acestora îndeplinirea funcþiei de transformare a fluxului incident de energie în energie electricã. Pe acest principiu se realizeazã traductoarele piroelectrice în infraroºu (banda 2 ... 35 ìm), precum ºi detectoarele în unde milimetrice ºi submilimetrice. 1.2.7. FUNCÞIA DE ELECTRET Polarizaþia remanentã de lungã duratã a electreþilor permite crearea unui câmp electrostatic în interstiþiul dielectric-armãturã câmp util în aparate ca: electrometre, dozimetre, filtre pentru gaze. Variaþia câmpului electrostatic prin varierea interstitiului permite realizarea traductoarelor de vibraþii ºi a microfoanelor cu electret. 1.3.3 PIERDERI PRIN CONDUCÞIE ÎN DIELECTRICI Dielectricii reali posedã o concentraþie, obiºnuit foarte micã, de sarcini electrice “libere” (electroni, goluri, ioni) care se pot deplasa sub actiunea câmpului electric aplicat, dând naºtere curentului de conducþie. Proprietãþile conductoare sunt caracterizate macroscopic prin valoarea reyistivitãþii volumetrice ä (sau a inversului acesteia, conductivitatea volumetricã ó ), iar în cazurile în care intervine ºi conducþie superficialã, de exemplu prin dielectricii solizi, prin reyistivitate superficialã ñs (sau inversul acesteia, conductivitatea superficialã ós) În dielectricii gazoºi, conducþia electricã se datoreazã ionilor ºi electronilor liberi care apar prin ionizarea datoratã factorilor externi (radiaþii ultraviolete, radioactive, Roentgen, cosmice, încãlzirea puternicã a dielectricului) sau prin ionizarea prin ciocnirea de moleculele gazului a particulelor încãrcate accelerate de câmp. Pentru câmpurile electrice puþin intense (sub 105 V/m) ionizarea sub acþiunea factorilor externi este singura posibilã. Pe acest domeniu, curentul electric este la inceput proporþional cu tensiunea , dupã care intervine un fenomen de saturaþie (pentru U>Us)pe mãsurã ce toþi purtãtorii de sarcinã creaþi de factorii externi ajung la electrozi. Curentul rãmâne constant cu creºterea pânã când, datoritã vitezei mari a purtãtorilor de sarcinã, se creayã condiþiile ionizãrii prin ciocnire (U>Ustr). Pânã la apariþia ionizãrilor prin ciocnire, dielectricii gazosi au conductibilitate volumetricã destul de micã (de exemplu, în condiþiile normale densitatea curentului de saturaþie în aer este de ordinul 10-19 A/cm2). Conducþia electricã în dielectricii lichizi este strâns legatã de structura moleculelor lichidelor. În lichidele cu polarizare de deplasare conducþia electricã depinde esenþial de existenþa impulsurilor disociate în lichid. În acest caz, purificarea dielectricului conduce la o creºtere insemnatã a rezistivitãþii volumetrice prin trecerea de lungã duratã a curentului electric prin dielectricul lichid; se obþine astfel o purificare electricã prin deplasarea ionilor impuritãþilor la electrozi. Creºterea temperaturii conduce la creºterea conductivitãþii volumetrice atât prin creºterea gradului de disociere, cât mai ales prin creºterea mobilitãþii purtãtorilor de sarcinã. Dependenþa conductivitãþii volumetrice de temperaturã absolutã este de tip exponenþial: µ §
unde a ºi A sunt constante care caracterizeazã dielectricul lichid cinsiderat (dependenþa acestor constante de temperaturã fiind slabã). În dielectricii solizi, pentru câmpuri inferioare valorilor 105-106 V/m, conducþia electricã este preponderent ionicã ºi se datoreazã în special defectelor de tip Frenkel ºi Schottkz din structura dielectricului. Concentraþia acestor defecte în cristal la echilibru termic depinde de temperaturã dupã o lege de tipulª µ § u nde W’ este energia de generare a defectului; B’ este constanta de material. Mobilitatea ionilor sau vacan’ele ionice depind de asemenea puternic de temperaturã µ § unde W’’ este energia de activare a deplasãrii ionului sau vacanþeiº B’’ este constanta de material Din aceste doua relaþii reyultã cã conductivitatea ionuicã depinde de temperaturã dupã o lege de tipul: µ § unde B ºi b sunt constante de material foarte slab dependente de temperaturã. Natura ionilor care produc conducþia electricã depinde de tipul legãturii în dielectric Pentru dielectricii cu legaturi preponderent covalente, conducþia este legatã în primul rând de prezenþa ionilor impuritate . În acest caz poate fi obþinutã o purificare electricã prin trecerea îndelungatã a curentului prin dielectric. Pentru dielectricii solizi cu structurã ionicã, conducþia se datoreazã, atât deplasãrii ionilor impuritãþilor (în special la temperaturi joase), cât ºi ionilor principali ai reþelei aflate în defectele acesteia. În cazul în care curentul în dielectric este datorat deplasãrii mai multor tipuri de ioni, relaþia se transformã într-o sumã
(Eg>5 eV), ceea ce genereazã o contitate micã de purtãtori de sarcinã liberi. µ § unde n ºi p reprezintã concentraþia electronilor, respectiv golurilor, iar C este o constantã de material (excepþie fac dielectricii impurificaþi controlat pentru a crea, prin metoda valenþei controlate, conducþia de electroni sau goluri, cazul termistoarelor). Pentru câmpuri electrice mai mari de 106 V/m, conducþia electronicã devine importantã, producând ionizãri prin ciocnire ale atomului sau ionilor dielectricului (conducþia electricã devine neliniarã). La câmpuri peste 108 V/m aceste ionizãri conduc strãpungeri dielectricului. La suprafaþa dielectricilor solizi, conducþia electricã este condiþionatã îndeosebi de prezenþa umiditãþii. Din acest punct de vedere dielectricii solizi pot fi împãrþiþi în trei grupe: dielectrici insolubili în apa, pentru care rezistivitatea superficialã are valori mari ºi depinde foarte puþin de umiditatea mediului ambiantº dielecrici parþial solubili în apa, pentru care rezistivitatea superficialã este scazutã ºi depinde în mare mãsurã de umiditateº dielectrici cu structurã poroasã care, datoritã structurii lor au o micã rezistivitate în mediul umed. Pentru toate tipurile de dielectrici solizi îndepãrtarea impuritãþilor de pe suprafata dielectricului (cu condiþia ca aceste impuritãþi sã poatã fi îndepãrtate, adicã sã nu constituie o parte componentã a materialului) conduce la creºterea rezistivitãþii superficiale. În cazul real al existenþei pierderilor prin conducþie electricã, dependenþa între permitivitatea complexã relativã ºi conductivitate (care caracterizeazã materialul din punct de vedere al pierderilor) se obþine considderând un dielectric cu pierderi prin conducþie între armãturile de formã oarecare ale unui condensator. Pentru o sarcinã Q înmagazinatã pe armãturi sub diferenþa de potenþiel U ferma liniilor de câmp electric ºi de curent de conducþie vor coincide deoarece:
unde J este vectorul densitate a curentului de conducþie. Notând cu I intensitatea curentului de conducþie ºi definind o suprafaþã inchisã Ó care intersecteazã totalitatea liniilor de câmp ºi conþine în interior sarcina înmagazinatã pe armatura superioarã, atunci raportul µ § are expresia: µ § În alt mod raportul µ § se poate exprima prin µ § unde C=åstC0 reprezintã capacitatea condensatorului cu dielectric între armãturi, iar rp- rezistenþa de pierderi prin conducþie. Deci, þinând seama de pierderile prin conducþie, condensatorul cu dielectric între armãturi are schema echivalentã a unui condensator în paralel cu o rezistenþã, constanta în timp a grupului condensator-rezistenþã rezultat din egalitatea celor doua relaþii de mai sus: µ § Schema echivalentã este valobilã pentru dielectricii cu polariyare de deplasare la frecvenþe ale cîmpului electric inferioare frecvenþei proprii de rezonanþã a particulelor care se deplaseazã. 1.6 RIGIDITATEA DIELECTRICÃ In câmpuri electrice intense, densitatea curentului de conducþie în materialul dielectric nu mai depinde liniar de intensitatea câmpului ºi, corespunzãtor, materialul se strãpunge, pierzînd proprietãþile izolante. 1.6.1. RIGIDITATEA DIELECTRICILOR GAZOªI In dielectricii gazoºi strãpungerea se datoreºte în majoritatea cazurilor ionizãrilor prin ciocnire. Prin acest mecanism strãpungerea se produce atunci cînd energia cineticã, a purtãtorilor de sarcinã liberi (electroni ºi ioni), acceleraþi de câmpul electric, este suficientã pentru a produce ionizarea prin ciocnire a moleculelor gazului. Datoritã drumului liber mijlociu mare al purtã- torilor de sarcinã în gaze, deci a unei energii mari acumulate sub acþiunea, cîm-pului între douã ciocniri, rigiditatea dielectricã a gazelor la presiunea normalã nu este prea ridicatã (pentru aer la presiunea normalã Estr = 3 MV/m). Creºterea presiunii gazului, prin micºorarea drumului liber mijlociu, conduce la creºterea rigiditãþii. De asemenea, micºorarea presiunii conduce la creºterea rigiditãþii datoritã micºorãrii probabilitãþii de ciocnire a purtãtorilor acceleraþi cu moleculele gazului. Rigiditatea gazelor în câmp omogen variazã în funcþie de frecvenþã. (Eslr0 este rigiditatea pentru câmp electric continuu). Pentru frecvenþe joase se constatã o scãdere a rigiditãþii datoritã acumulãrii de sarcini de volum în gaz din cauza vitezelor diferite ale ionilor pozitivi ºi electronilor. Prin creºterea frecvenþei, rigiditatea creºte deoarece durata procesului de ionzare prin ciocnire (de ordinul 10-7... 10-8 s) devine comparabilã cu semiperioada câmpului electric alternativ. Strãpungerea gazelor în câmp neomogen se deosebeºte mult de strãpun-
1.6.2. RIGIDITATEA DIELECTRICILOR LICHIZI In cazul dielectricilor lichizi în stare de puritate înaintatã, strãpungerea se datoreºte de asemenea unui mecanism de ionizare prin ciocnire. Intrucât drumul liber mijlociu al purtãtorilor de sarcinã este în acest caz mult mai mic decât în cazul dielectriecilor gazoºi, rigiditatea dielectricã este mult mai ridicatã, puþind atinge 100 MV/m. Pentru dielectricii lichizi de puritate tehnicã ridigitatea este însã mult mai mai micã datoritã unor adaosuri ca: apã, bule de gaze, particule mecanice mãrunte. Sub acþiunea câmpului electric, aceste adaosuri avînd un µ §diferit de al lichidului, se distribuie sub forma unor lanþuri în lungul liniilor de câmp, constituind locurile în care va avea loc strãpungerea. In aceste condiþii, rigiditatea dielectricilor lichizi depinde esenþial de tipul ºi cantitatea adaosurilor conþinute, rãmînînd însã în majoritatea cazurilor de ordinul 20 ... 25 MV/m, adicã de aproape 10 ori mai ridicatã decât rigiditatea gazelor la presiune normalã. Pentru câmpuri de frecvenþã ridicatã, în special în cazul lichidelor cu polarizare de orientare, pierderile dielectrice conduc la o încãlzire a lichidului ceea ce favorizeazã de asemenea strãpungerea prin creºterea numãrului de purtãtori liberi. Rigiditatea dielectricã a lichidelor scade deci cu creºterea frecvenþei. Restabilirea rigiditãþii dieleetrice dupã ce a avut loc strãpungerea este mai puþin perfectã în cazul lichidelor decât in cazul gazelor deoarece lichidul se impurificã cu produsele care s-au format in momentul strãpungerii. Cu toate acestea, cazurile de formare a unor scurtcircuite permanente în urma strãpungerii lichidelor sunt rare ºi cu totul particulare. . 1.6.3. RIGIDITATEA Dl ELECTRICI LOR SOLIZI Cu toate cã drumul liber mijlociu al purtãtorilor de sarcinã este foarte mic în dielectricii solizi, în comparaþie cu cei lichizi sau gazoºi, totuºi ºi în acest caz pot avea loc ionizãri prin ciocnire care conduc la strãpungere electricã. Corespunzãtor valorii drumului liber mijlociu, rigiditãþile dielectrice Yüklə 320,04 Kb. Dostları ilə paylaş:
|