Curs 04_05 Materiale dielectrice (izolatoare)

1. Curs 04_05 Materiale dielectrice (izolatoare)

2. Diagrama benzilor energetice pentru materialele izolatoare EG=5eV  fenomenele de conducţie (apariţia curentului electric) sînt foarte slabe Principalele tipuri de materiale dielectrice sunt: Materiale dielectrice solide organice - polimerii: polistiren, polietilenă, plexiglas, diflon, răşini, etc. Materiale dielectrice solide anorganice: mica, sticla, materiale ceramice, pelicule din oxizi ai metalului.

3. Capacitatea electrică capacitate electrică: permitivitatea electrică a vidului: inducţia electrică C/m2 intensitatea câmpului electric V/m

4. Mecanisme de creştere a capacităţii electrice?

5. Creşterea capacităţii electrice prin introducerea unui dielectric între plăcile conductoare permitivitatea electrică a dielectricului permitivitatea electrică a vidului < r - permitivitatea relativă

6. Valori pentru permitivitatea relativă a dielectricilor

7. Fenomenul de polarizarea electrică a dielectricilor La aplicarea unui câmp electric de intensitate E asupra unui material dielectric, sarcinile electrice din materialul respectiv se vor plasa astfel încât să reducă valoarea intensităţii câmpului electric care trece prin material. La introducerea unui dielectric într-un cîmp electric, are loc fenomenul de polarizare electrică a materialului: caracterizează interacţiunea dintre câmpul electric şi materialul dielectric Polarizaţie electrică: caracterizează starea de polarizare a materialului dielectric; se măsoară în C/m2 Susceptivitate dielectrică: o măsură a dielectricului de se polariza permitivitatea relativă

8. -Q +Q p d - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + Polarizaţia electrică a dielectricului • Dipolul electric: este compus dintr-o pereche de sarcini electrice, de valori egale dar de semn opus, separate de o anumită distanţă d. • Dipolul electric este caracterizat printr-un moment electric elementar p – momentul dipolului. Momentul dipolului este un vector orientat de la sarcina negativă către cea pozitivă. • Clasificare: dipoli induşi, dipoli permanenţi. • Indiferent de tipul dipolului, atunci când se aplica un câmp electric materialului dielectric, dipolii se vor alinia dupa directia câmpului. Când dipolii sunt aliniati, se spune că materialul este polarizat. E0 Ndipoli – densitatea volumetrică de dipoli p – momentul electric elementar Polarizaţia electrică:

9. Fenomene de polarizare în dielectrici • Temporare: starea de polarizare se menţine numai pe durata aplicării sursei de polarizare (cîmpul electric): • de deplasare de sarcină electrică: • electronică • ionică • de orientare • Permanente: o dată instalată, starea de polarizare se menţine indiferent dacă materialul se află sau nu în cîmp electric

10. Polarizarea electronică Traiectoria electronului se modifică într-o elipsoidă, care face ca centrul sarcinii spaţiale negative să se deplaseze faţă de centrul sarcinii pozitive, în sens contrar sensului cîmpului electric, astfel încît la nivelul atomului izolat se generează un moment electric elementar. Electronul unui atom izolat se deplasează pe o traiectorie sferică, centrată în punctul în care se află sarcina electrică pozitivă (protonul) atomului => centrul sarcinii spaţiale negative coincide cu centrul sarcinii electrice pozitive (nucleul atomului), deci momentul electric elementar al atomului este nul. Orientarea dipolilor la aplicare unui câmp electric este rapidă, fenomenul fiind prezent până la frecvenţe de ordinul gigahertzilor (frecvenţa câmpului electric). Materialele la care are loc acest tip de polarizare se numesc materiale nepolare datorită valorii mici în modul a momentelor dipolilor.

11. Polarizarea ionică În reţeaua cistalină a unui cristal ionic (NaCl), în absenţa cîmpului electric, ionii de polaritate alternantă sunt distribuiţi echidistant şi din acest motiv generează o polarizare electrică totală nulă. La aplicarea unui cîmp electric nenul, ionii se deplasează sub acţiunea forţelor electrostatice (nu mai sunt plasaţi echidistant) şi generează o polarizare electrică nenulă. Orientarea dipolilor la aplicare unui câmp electric este rapidă (dar mai lentă decât în cazul polarizării electronice), fenomenul fiind prezent până la frecvenţe de ordinul miilor de megahertzi. Este însoţită de polarizare electronică.

12. Polarizarea electrică de orientare Generarea momentului electric elementar spontan pentru molecula de apă H2O: atomul de oxigen atrage electroni şi astfel se generează în locul în care acesta este localizat o sarcină electrică spaţială negativă –Q. Cei 2 atomi de hidrogen contribuie la generarea, în regiunea fiecăruia, a unei sarcini electrice spaţiale pozitive.+Q/2. În absenţa cîmpului electric, orientarea acestora este haotică, iar polarizaţia electrică P este nulă. La aplicarea unui cîmp electric, momentele electrice elementare spontane se vor orienta pe direcţia cîmpului, generînd o polarizaţie electrică nenulă. Orientarea dipolilor la aplicare unui câmp electric este lentă, fenomenul fiind prezent până la frecvenţe de ordinul sutelor de kilohertzi şi este influenţat de temperatură.

13. Polarizarea permanentă: (a) piroelectrică, (b) piezoelectrică Polarizarea piroelectrică: - materiale feroelectrice La fabricarea materialelor feroelectrice există domenii macroscopice în care starea de polarizare este instalată. În absenţa unui cîmp electric, orientarea vectorilor de polarizaţie electrică este aleatoare, suma vectorială a acestora fiind considerată nulă. La aplicarea unui cîmp electric, vectorii de polarizaţie electrică ai domeniilor macroscopice se vor orienta pe direcţia cîmpului electric, iar suma vectorială a acestora va deveni diferită de zero. Orientarea dipolilor la aplicarea câmpului electric este lentă.

14. Efectul piezoelectric Efectul piezoelectric direct: caracterizează proprietatea materialelor dielectrice de a-şi modifica starea de polarizare sub acţiunea unei forţe mecanice Efectul piezoelectric invers: caracterizează proprietatea materialului dielectric de a se deforma sub acţiunea unui câmp electric exterior – fenomen care se numeşte efect piezoelectric invers.

15. Pierderile în dielectrici Pierderi prin conducţie: materialele dielectrice conţin o concentraţie redusă de purtători de sarcină electrică mobili (conductivitate electrică nenulă), care se pot deplasa sub acţiunea unui câmp electric, dînd naştere unui curent electric. Pierderile prin conducţie sunt prezente în cazul în care asupra dielectricului se aplică un câmp electric constant sau lent variabil. Pierderileprinpolarizare:semanifesta cândun dielectric esteutilizatîntr-un câmpelectric alternativ.

16. Pierderile prin conducţie Datorită conductivităţii nenule a materialului dielectric, dacă acesta este introdus între 2 armături metalice alimentate de la o tensiune de alimentare V, se constată că prin proba respectivă ia naştere un curent electric I. Se poate demonstra că valoarea curentului generat prin proba respectivă se determină cu relaţia: Q = sarcina electrică de pe armături  = conductivitatea electrică a materailului dielectric constanta de relaxare dielectrică: Comportamentul dielectricului în câmp electric constant sau lent variabil se poate studia pe baza următorului circuit echivalent: C rP

17. Pierderile prin polarizare Dacă materialul dielectric este supus unui câmp electric alternativ: E=Emsin(t), materialul dielectric nu se va polariza instantaneu: P=Pmsin(t+). Deoarece polarizaţia electrică, în funcţie de intensitatea câmpului electric se poate scrie ca: Rezultă că permitivitatea electrică este o mărime complexă: permitivitatea electrică elastică; arată efectul de creştere a capacităţii la introducerea dielectricului între 2 placi conductoare faţă de cazul în care între placă este vid permitivitatea electrică vâscoasă; arată efectul de încălzire a dielectricului datorită fenomenelor de polarizare lente = suma constantelor dielectrice de relaxare datorate fenomenelor de polarizare lente

18. Străpungerea dielectricilor La aplicarea asupra materialului dielectric a unui cîmp electric crescător ca intensitate, la o anumită valoare a intensităţii cîmpului electric, prin dielectric apare o creştere bruscă a curentului electric. Fenomenul se numeşte străpungerea dielectricului. Ca urmare, puterea disipată pe material devine foarte mare, iar acesta se poate distruge. Intensitatea cîmpului electric la care are loc fenomenul se numeşte rigiditate dielectrică, şi se defineşte astfel: d – grosimea dielectricului VSTR – tensiunea la care are loc fenomenul de străpungere