Curs 4 Materiale dielectrice (izolatoare)

1. Curs 4 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. Interacţiunea câmp electric - dielectric

4. -Q +Q p d - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + I. Influenţa cîmpului electric asupra dielectricului – polarizarea materialului • 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: caracterizează starea de polarizare a materialului dielectric; se măsoară în C/m2

5. Fenomene de polarizare în dielectrici I. Fenomene de polarizare temporară II. Fenomene de polarizare permanentă

6. Fenomene de polarizare în dielectrici • Poarizare temporară: starea de polarizare se menţine numai pe durata aplicării sursei de polarizare (cîmpul electric): • de deplasare de sarcină electrică: • electronică • ionică • de orientare • Poarizare permanentă: o dată instalată, starea de polarizare se menţine indiferent dacă asupra materialului se aplică sau nu sursa de polarizare (cîmpul electric).

7. 1.1 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.

8. 1.2 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.

9. 2. 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. Orientarea: 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.

10. 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.

11. 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.

12. II. Influenţa dielectricului asupra cîmpului electric – modificarea inducţiei electrice D vid Susceptivitate dielectrică: indică în ce măsură dielectricul se poate polariza permitivitatea vidului permitivitatea relativă