Valoarea constantei dielectrice. Constanta dielectrică a aerului ca mărime fizică
PERMISIBILITATEA DIELECTRICĂ, valoarea lui ε, care caracterizează polarizarea dielectricilor sub acțiunea unui câmp electric de intensitate E. Constanta dielectrică intră în legea lui Coulomb ca mărime care arată de câte ori forța de interacțiune a două sarcini libere într-un dielectric este mai mică decât în vid. Slăbirea interacțiunii se produce datorită ecranării încărcăturilor libere de către cele legate, formate ca urmare a polarizării mediului. Sarcinile legate apar ca rezultat al redistribuirii spațiale microscopice a sarcinilor (electroni, ioni) într-un mediu neutru din punct de vedere electric în ansamblu.
Relația dintre vectorii de polarizare P, intensitatea câmpului electric E și inducția electrică D într-un mediu izotrop din sistemul SI de unități este:
unde ε 0 este o constantă electrică. Constanta dielectrică ε depinde de structură și compoziție chimică substanțe, precum și de la presiune, temperatură și altele conditii externe(masa).
Pentru gaze, valoarea sa este apropiată de 1, pentru lichide și solide variază de la câteva unități la câteva zeci, pentru feroelectrice poate ajunge la 10 4. Această împrăștiere a valorilor ε se datorează diferitelor mecanisme de polarizare care au loc în dielectrici dielectrici.
Teoria microscopică clasică conduce la o expresie aproximativă pentru constanta dielectrică a dielectricilor nepolari:
unde n i este concentrația celui de al i-lea fel de atomi, ioni sau molecule, α i este polarizabilitatea acestora, β i este așa-numitul factor de câmp intern, datorită particularităților structurii cristalului sau substanței. Pentru majoritatea dielectricilor cu o constantă dielectrică situată în intervalul 2-8, β = 1/3. De obicei, constanta dielectrică este practic independentă de câmpul electric aplicat până la ruperea electrică a dielectricului. Valorile ridicate ale ε ale unor oxizi metalici și altor compuși se datorează particularităților structurii lor, care permite, sub acțiunea câmpului E, o deplasare colectivă a subrețelelor de ioni pozitivi și negativi în direcții opuse și formarea unor sarcini legate semnificative la limita cristalului.
Procesul de polarizare a unui dielectric atunci când se aplică un câmp electric nu se dezvoltă instantaneu, ci într-un anumit timp τ (timp de relaxare). Dacă câmpul E se modifică în timpul t conform unei legi armonice cu o frecvență ω, atunci polarizarea dielectricului nu are timp să-l urmeze și apare o diferență de fază δ între oscilațiile lui P și E. Când se descriu oscilațiile P și E prin metoda amplitudinilor complexe, constanta dielectrică este reprezentată de o valoare complexă:
ε = ε ’+ iε",
unde ε 'și ε "depind de ω și τ, iar raportul ε" / ε' = tan δ determină pierderile dielectrice în mediu. Defazatul δ depinde de raportul dintre τ și perioada de câmp T = 2π / ω. Pentru τ<< Т (ω<< 1/τ, низкие частоты) направление Р изменяется практически одновременно с Е, т. е. δ → 0 (механизм поляризации «включён»). Соответствующее значение ε’ обозначают ε (0) . При τ >> Polarizarea T (frecvențe înalte) nu ține pasul cu schimbarea Ε, δ → π și ε 'în acest caz notăm ε (∞) (mecanismul de polarizare este „off”). Evident, ε (0)> ε (∞), iar în câmpuri alternante constanta dielectrică se dovedește a fi o funcție a lui ω. Aproape de ω = l / τ, ε 'se schimbă de la ε (0) la ε (∞) (regiune de dispersie), iar dependența tanδ (ω) trece printr-un maxim.
Caracterul dependențelor ε '(ω) și tanδ (ω) în regiunea de dispersie este determinat de mecanismul de polarizare. În cazul polarizărilor ionice și electronice cu o deplasare elastică a sarcinilor legate, modificarea în P (t) cu o pornire treptată a câmpului E are caracterul de oscilații amortizate și dependențele ε '(ω) și tanδ (ω). ) se numesc rezonante. În cazul polarizării orientative, stabilirea lui Р (t) este exponențială, iar dependențele ε '(ω) și tanδ (ω) se numesc relaxare.
Metodele de măsurare a polarizării dielectrice se bazează pe fenomenele de interacțiune a electro camp magnetic cu momente dipolare electrice ale particulelor de materie și sunt diferite pentru frecvențe diferite. Majoritatea metodelor la ω ≤ 10 8 Hz se bazează pe procesul de încărcare și descărcare a unui condensator de măsurare umplut cu un dielectric aflat în studiu. La frecvențe mai mari, se folosesc metode de ghidare de undă, rezonantă, multi-frecvență și alte metode.
În unele dielectrice, de exemplu feroelectrice, relația proporțională dintre P și Ε [Ρ = ε 0 (ε - 1) E] și, prin urmare, între D și E este încălcată deja în câmpurile electrice obișnuite atinse în practică. În mod formal, aceasta este descrisă ca dependența ε (Ε) ≠ const. În acest caz, constanta dielectrică diferențială este o caracteristică electrică importantă a dielectricului:
În dielectricii neliniari, ε diff este de obicei măsurat în câmpuri alternante slabe cu aplicarea simultană a unui câmp constant puternic, iar componenta alternativă ε dif se numește constantă dielectrică reversibilă.
Lit. vezi la art. Dielectrice.
Constanta dielectrică constanta dielectrică
valoarea ε, care arată de câte ori forța de interacțiune a două sarcini electrice într-un mediu este mai mică decât în vid. Într-un mediu izotrop, ε este legat de susceptibilitatea dielectrică χ prin raportul: ε = 1 + 4π χ. Constanta dielectrică a unui mediu anizotrop este un tensor. Constanta dielectrică depinde de frecvența câmpului; în câmpuri electrice puternice Constanta dielectrică începe să depindă de intensitatea câmpului.
CONSTANTA DIELECTRICAPERMEABILITATEA DIELECTRICĂ, o mărime adimensională e, care arată de câte ori forța de interacțiune F dintre sarcinile electrice dintr-un mediu dat este mai mică decât forța lor de interacțiune F o în vid:
e = F despre / F.
Constanta dielectrică arată de câte ori câmpul este slăbit de un dielectric (cm. DIELECTRICĂ), care caracterizează cantitativ proprietatea unui dielectric de a fi polarizat într-un câmp electric.
Valoarea permisivității relative a unei substanțe, care caracterizează gradul de polarizabilitate a acesteia, este determinată de mecanismele de polarizare (cm. POLARIZARE)... Cu toate acestea, valoarea depinde și în mare măsură de starea de agregare a substanței, deoarece în timpul tranzițiilor de la o stare la alta, densitatea substanței, vâscozitatea și izotropia acesteia se modifică semnificativ. (cm. ISOTROPIE).
Constanta dielectrica a gazelor
Substantele gazoase se caracterizeaza prin densitati foarte mici datorita distantelor mari dintre molecule. Din acest motiv, polarizarea tuturor gazelor este nesemnificativă și constanta lor dielectrică este aproape de unitate. Polarizarea gazului poate fi pur electronică sau dipol dacă moleculele de gaz sunt polare, totuși, în acest caz, polarizarea electronică este de importanță primordială. Cu cât raza moleculei de gaz este mai mare, cu atât polarizarea diferitelor gaze este mai mare și este numeric apropiată de pătratul indicelui de refracție pentru acest gaz.
Dependența unui gaz de temperatură și presiune este determinată de numărul de molecule pe unitatea de volum de gaz, care este proporțional cu presiunea și invers proporțional cu temperatura absolută.
Aerul dinăuntru conditii normale e = 1,0006, iar coeficientul său de temperatură este de aproximativ 2. 10 -6 K -1.
Constanta dielectrică a dielectricilor lichidi
Fluidele dielectrice pot fi compuse din molecule nepolare sau polare. Valoarea e a lichidelor nepolare este determinată de polarizarea electronică, prin urmare este mică, apropiată de valoarea pătratului refracției luminii și de obicei nu depășește 2,5. Dependența lui e a unui lichid nepolar de temperatură este asociată cu o scădere a numărului de molecule pe unitate de volum, adică cu o scădere a densității, iar coeficientul său de temperatură este apropiat de coeficientul de temperatură al expansiunii volumetrice a lichidului, dar diferă în semn.
Polarizarea lichidelor care conțin molecule dipol este determinată simultan de componentele electronice și de relaxare dipol. Astfel de lichide au cu cât constanta dielectrică este mai mare, cu atât valoarea momentului electric al dipolilor este mai mare (cm. DIPOL)și cu cât este mai mare numărul de molecule pe unitate de volum. Dependența de temperatură în cazul lichidelor polare este complexă.
Constanta dielectrică a dielectricilor solizi
În solide, poate lua o varietate de valori numerice în conformitate cu varietatea caracteristici structurale dielectric solid. Toate tipurile de polarizare sunt posibile în dielectricii solizi.
Cea mai mică valoare a lui e este pentru dielectricii solizi constând din molecule nepolare și care posedă doar polarizare electronică.
Dielectricii solizi, care sunt cristale ionice cu împachetare strânsă a particulelor, au polarizări electronice și ionice și au valori e care se află în limite largi (e sare gemă - 6; e corindon - 10; e rutil - 110; e titanat de calciu - 150).
Ea diferitelor sticle anorganice, care se apropie ca structură de dielectricii amorfi, se află într-un interval relativ îngust de la 4 la 20.
Dielectricii organici polari au o polarizare de relaxare dipol în stare solidă. E dintre aceste materiale depinde în mare măsură de temperatura și frecvența tensiunii aplicate, respectând aceleași legi ca și pentru fluidele dipol.
Dicţionar enciclopedic. 2009 .
Vedeți ce este „constanta dielectrică” în alte dicționare:
Valoarea lui e, care arată de câte ori forța de interacțiune a două sarcini electrice într-un mediu este mai mică decât în vid. Într-un mediu izotrop, e este legat de susceptibilitatea dielectrică cu raportul: e = 1 + 4pc. Constanta dielectrica... Dicţionar enciclopedic mare
Valoarea lui e, care caracterizează polarizarea dielectricilor sub acțiunea electrică. câmpul ED este inclus în legea lui Coulomb ca o mărime care arată de câte ori forța de preluare a două sarcini libere într-un dielectric este mai mică decât în vid. Slăbirea ...... Enciclopedie fizică
PERMISIBILITATE DIELECTRICĂ, Valoarea lui e, care arată de câte ori forța de interacțiune a două sarcini electrice într-un mediu este mai mică decât în vid. Valoarea lui e variază foarte mult: hidrogen 1,00026, ulei de transformator 2,24, ... ... Enciclopedie modernă
- (notația e), în fizică una dintre proprietățile diferitelor materiale (vezi DIELECTRIC). Se exprimă prin raportul dintre densitatea DEBUTULUI ELECTRIC în mediu și intensitatea CÂMPULUI ELECTRIC care îl provoacă. Constanta dielectrica a vidului ...... Dicționar enciclopedic științific și tehnic
constanta dielectrică- O mărime care caracterizează proprietățile dielectrice ale unei substanțe, scalară pentru o substanță izotropă și tensor pentru o substanță anizotropă, al cărei produs prin intensitatea câmpului electric este egal cu deplasarea electrică. [GOST R 52002 2003] ... ... Ghidul tehnic al traducătorului
Constanta dielectrică- PERMISIBILITATEA DIELECTRICĂ, valoarea lui e, care arată de câte ori forța de interacțiune a două sarcini electrice într-un mediu este mai mică decât în vid. Valoarea lui e variază foarte mult: hidrogen 1,00026, ulei de transformator 2,24, ... ... Dicţionar Enciclopedic Ilustrat
Constanta dielectrică- o mărime care caracterizează proprietățile dielectrice ale unei substanțe, scalară pentru o substanță izotropă și tensor pentru o substanță anizotropă, al cărei produs prin intensitatea câmpului electric este egal cu deplasarea electrică ... Sursa: ... ... Terminologie oficială
constanta dielectrică- constanta dielectrica absoluta; ramură. constantă dielectrică O mărime scalară care caracterizează proprietățile electrice ale unui dielectric, egală cu raportul dintre deplasarea electrică și intensitatea câmpului electric... Dicţionar explicativ terminologic politehnic
Constanta dielectrică absolută Constanta dielectrică relativă Constanta dielectrică a vidului ... Wikipedia
constanta dielectrică- dielektrinė skvarba statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektrinio srauto tankio tiriamojoje medžiagoje ir elektrinio lauko stiprio santykis. atitikmenys: angl. constantă dielectrică; permisivitatea dielectrică; permisivitatea rus. dielectric ...... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Cărți
- Proprietățile materialelor. Anizotropie, simetrie, structură. Pe. din engleza , Newnham RE. Această carte este dedicată anizotropiei și relației dintre structura materialelor și proprietățile lor. Acoperă o gamă largă de subiecte și este un fel de curs introductiv dupa proprietatile fizice...
Știați,
ce este un experiment de gândire, un experiment gedanken?
Aceasta este o practică inexistentă, o experiență de altă lume, imaginația a ceea ce nu este în realitate. Experimentele gândirii sunt ca niște vise trezite. Ei dau naștere monștrilor. Spre deosebire de un experiment fizic, care este un test experimental al ipotezelor, un „experiment de gândire” înlocuiește în mod viclean verificarea experimentală cu concluzii dorite, netestate în practică, manipulând construcții logice care încalcă de fapt logica însăși prin utilizarea premiselor nedemonstrate ca fiind dovedite, adică prin substituţie. Astfel, sarcina principală a solicitanților pentru „experimente de gândire” este de a înșela ascultătorul sau cititorul prin înlocuirea unui experiment fizic real cu „păpușa” sa – raționament fictiv în eliberare condiționată fără verificarea fizică în sine.
Umplerea fizicii cu „experimente de gândire” imaginare a dus la apariția unei imagini suprareale absurde, confuze și confuze a lumii. Un adevărat cercetător trebuie să distingă astfel de „împachetări de bomboane” de valorile reale.
Relativiștii și pozitiviștii susțin că „experimentul gândirii” este un instrument foarte util pentru testarea coerenței teoriilor (care apar și în mintea noastră). În aceasta, ei înșală oamenii, deoarece orice verificare poate fi efectuată doar de o sursă independentă de obiectul verificării. Reclamantul însuși al ipotezei nu poate fi un test al propriei afirmații, întrucât motivul în sine a acestei afirmații este absența contradicțiilor în afirmație vizibilă reclamantului.
Vedem acest lucru pe exemplul SRT și GRT, care s-au transformat într-un fel de religie care guvernează știința și opinie publica... Nici o cantitate de fapte care le contrazic nu poate depăși formula lui Einstein: „Dacă un fapt nu corespunde teoriei, schimbați faptul” (Într-o altă versiune, „- Faptul nu corespunde teoriei? - Cu atât mai rău pentru fapt").
Maximul pe care un „experiment de gândire” îl poate pretinde este doar consistența internă a ipotezei în cadrul propriei logici a solicitantului, adesea deloc adevărată. Acest lucru nu testează adecvarea practicii. Acest test poate avea loc numai într-un experiment fizic valabil.
Un experiment este un experiment în sensul că nu este o rafinare a gândirii, ci un test al gândirii. Un gând care este auto-consecvent în sine nu se poate verifica singur. Acest lucru este dovedit de Kurt Gödel.
Orice substanță sau corp care ne înconjoară are anumite proprietăți electrice. Acest lucru se datorează structurii moleculare și atomice: prezența particulelor încărcate într-o stare legată reciproc sau liber.
Atunci când niciun câmp electric extern nu acționează asupra substanței, aceste particule sunt distribuite în așa fel încât să se echilibreze între ele și să nu creeze un câmp electric suplimentar în întregul volum total. În cazul unei aplicații externe energie electricaîn interiorul moleculelor și atomilor are loc o redistribuire a sarcinilor, care duce la crearea propriului câmp electric intern îndreptat opus celui extern.
Dacă vectorul câmpului extern aplicat este notat "E0", iar cel intern - "E" ", atunci câmpul total" E "va fi suma energiei acestor două mărimi.
În electricitate, se obișnuiește să se împartă substanțele în:
conductoare;
dielectrice.
Această clasificare există de mult timp, deși este mai degrabă arbitrară, deoarece multe corpuri au proprietăți diferite sau combinate.
Conductori
Mass-media care au taxe gratuite disponibile acţionează ca dirijori. Cel mai adesea, metalele acționează ca conductoare, deoarece electronii liberi sunt întotdeauna prezenți în structura lor, care sunt capabili să se miște în întregul volum al unei substanțe și, în același timp, participă la procesele termice.
Când un conductor este izolat de acțiunea câmpurilor electrice externe, atunci se creează în el un echilibru de sarcini pozitive și negative din rețelele ionice și electroni liberi. Acest echilibru este imediat distrus atunci când este introdus - datorită energiei căreia începe redistribuirea particulelor încărcate și pe suprafața exterioară apar sarcini dezechilibrate de valori pozitive și negative.
Acest fenomen este de obicei numit inducție electrostatică... Sarcinile care decurg din acesta pe suprafața metalelor se numesc sarcini de inducție.
Sarcinile de inducție formate în conductor formează propriul câmp E ", care compensează efectul E0 extern în interiorul conductorului. Prin urmare, valoarea câmpului electrostatic total, total este compensată și egală cu 0. În acest caz, potențialele tuturor punctelor atât din interior cât și din exterior sunt aceleași.
Concluzia obținută indică faptul că în interiorul conductorului, chiar și cu un câmp extern conectat, nu există diferență de potențial și nu există câmpuri electrostatice. Acest fapt este utilizat în ecranare - aplicarea unei metode de protecție electrostatică a persoanelor și echipamentelor electrice sensibile la câmpurile induse, în special instrumentele de măsurare de înaltă precizie și tehnologia microprocesorului.
Îmbrăcămintea și încălțămintea ecranată din țesături cu fire conductoare, inclusiv articolele pentru acoperirea capului, sunt utilizate în industria energetică pentru a proteja personalul care lucrează în condiții de tensiune crescută create de echipamentele de înaltă tensiune.
Dielectrice
Acesta este numele pentru substanțele care au proprietăți izolante. Acestea conțin doar taxe interconectate, nu taxe gratuite. Au toate particulele pozitive și negative legate în interiorul unui atom neutru, lipsite de libertatea de mișcare. Ele sunt distribuite în interiorul dielectricului și nu se mișcă sub acțiunea câmpului extern aplicat E0.
Cu toate acestea, energia sa provoacă în continuare anumite modificări în structura substanței - în interiorul atomilor și moleculelor, raportul dintre particulele pozitive și negative se modifică, iar la suprafața substanței apar sarcini legate excesive, dezechilibrate, formând un câmp electric intern E „Este direcționat opus aplicat față de tensiunea exterioară.
Acest fenomen se numește polarizare dielectrică... Se caracterizează prin faptul că în interiorul substanței se manifestă un câmp electric E, format prin acțiunea energiei exterioare E0, dar slăbit prin opoziția E intern”.
Tipuri de polarizare
Este de două tipuri în interiorul dielectricilor:
1. orientare;
2. electronice.
Primul tip are denumirea suplimentară de polarizare dipol. Este inerent dielectricilor cu centrii deplasați la sarcini negative și pozitive, care formează molecule din dipoli microscopici - un set neutru de două sarcini. Acest lucru este tipic pentru apă, dioxid de azot, hidrogen sulfurat.
Fără acțiunea unui câmp electric extern, dipolii moleculari din astfel de substanțe sunt orientați într-o manieră haotică sub influența proceselor de temperatură de funcționare. În același timp, nu există sarcină electrică în niciun punct din volumul intern și pe suprafața exterioară a dielectricului.
Această imagine se schimbă sub influența energiei aplicate din exterior, atunci când dipolii își schimbă ușor orientarea și apar regiuni de sarcini legate macroscopice necompensate la suprafață, formând un câmp E „cu direcția opusă E0 aplicată.
Cu această polarizare influență mare procesele sunt influențate de temperatură, determinând mișcarea termică și creând factori de dezorientare.
Polarizare electronică, mecanism elastic
Se manifestă în dielectrici nepolari - materiale de alt tip cu molecule lipsite de moment dipol, care, sub influența unui câmp extern, sunt deformate astfel încât sarcinile pozitive sunt orientate în direcția vectorului E0 și negative. sarcinile sunt orientate în sens invers.
Ca rezultat, fiecare dintre molecule funcționează ca un dipol electric orientat de-a lungul axei câmpului aplicat. În acest fel, ei creează pe suprafața exterioară câmpul lor E „cu direcția opusă.
În astfel de substanțe, deformarea moleculelor și, în consecință, polarizarea din acțiunea unui câmp din exterior nu depinde de mișcarea lor sub influența temperaturii. Metanul CH4 poate fi citat ca exemplu de dielectric nepolar.
Valoarea numerică a câmpului intern al ambelor tipuri de dielectrici în mărime se modifică mai întâi direct proporțional cu creșterea câmpului extern, iar apoi, la atingerea saturației, apar efecte neliniare. Ele apar atunci când toți dipolii moleculari sunt aliniați de-a lungul liniilor de forță ale dielectricilor polari sau au avut loc modificări în structura materiei nepolare, din cauza deformării puternice a atomilor și moleculelor dintr-o energie mare aplicată din exterior.
În practică, astfel de cazuri apar rar - de obicei, defecțiunea sau defectarea izolației are loc mai devreme.
Constanta dielectrică
Dintre materialele izolante rol important alocat caracteristici electriceși un astfel de indicator ca constanta dielectrică... Poate fi măsurat prin două caracteristici diferite:
1.valoarea absolută;
2. valoare relativă.
Termenul constantă dielectrică absolută substanțele εa sunt folosite când se face referire la notația matematică a legii lui Coulomb. Acesta, sub forma coeficientului εа, conectează vectorii de inducție D și intensitatea E.
Amintiți-vă că fizicianul francez Charles de Coulomb, folosind propria sa balanță de torsiune, a investigat legile forțelor electrice și magnetice dintre corpurile mici încărcate.
Determinarea permitivității relative a unui mediu este utilizată pentru a caracteriza proprietățile izolatoare ale unei substanțe. Ea estimează raportul dintre forța de interacțiune dintre două sarcini punctuale la doi conditii diferite: în vid și mediu de lucru. În acest caz, indicii de vid sunt luați ca 1 (εv = 1), în timp ce pentru substanțele reale sunt întotdeauna mai mari, εr> 1.
Expresia numerică εr este afișată ca mărime adimensională, este explicată prin efectul polarizării în dielectrici și este utilizată pentru a evalua caracteristicile acestora.
Valorile constantelor dielectrice ale mediilor individuale(la temperatura camerei)
| Substanţă | ε | Substanţă | ε |
| Sarea lui Segnet | 6000 | Diamant | 5,7 |
| Rutil (de-a lungul axei optice) | 170 | Apă | 81 |
| Polietilenă | 2,3 | Etanol | 26,8 |
| Siliciu | 12,0 | Mica | 6 |
| Sticlă | 5-16 | Dioxid de carbon | 1,00099 |
| NaCl | 5,26 | Vapor de apă | 1,0126 |
| Benzen | 2,322 | Aer (760 mmHg) | 1,00057 |
LUCRARE DE LABORATOR VIRTUAL Nr. 3 SOFTWARE
FIZICA CORPULUI SOLID
Instrucțiuni metodice de implementare munca de laborator Nr.3 la secțiunea de fizică „State solidă” pentru studenții specialităților tehnice de toate formele de învățământ
Krasnoyarsk 2012
Referent
Candidat la științe fizice și matematice, conferențiar O. N. Bandurina
(Universitatea Aerospațială de Stat din Siberia
numit după academicianul M.F. Reshetnev)
Publicat prin decizia Comisiei Metodologice TIC
Determinarea constantei dielectrice a semiconductorilor. Lucrarea de laborator virtual nr. 3 despre fizica stării solide: Instrucțiuni metodice pentru implementarea lucrărilor de laborator nr. 3 la secțiunea de fizică „Starea solidă” pentru studenții de tehnologie. specialist. toate formele de educație / comp .: A.M. Harkov; Sib. stat aerospațială un-t. - Krasnoyarsk, 2012 .-- 21 p.
Aerospațial de stat siberian
Universitatea poartă numele academicianului M.F. Reșetnev, 2012
Introducere ………………………………………………………………………………… ... 4
Admiterea la lucrări de laborator ………………………………………………… ... 4
Înregistrarea lucrărilor de laborator pentru protecție …………………………………… ... 4
Determinarea constantei dielectrice a semiconductorilor ………… ........ 5
Teoria metodei ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… 5
Tehnica de măsurare a constantei dielectrice ………………… .. …… ..11
Prelucrarea rezultatelor măsurătorilor …………… .. ……………… 16
Întrebări de testare ………… .. ……………………………………………… .17
Test ……………………………………………………………………………… .17
Referințe …………………………………………………………………… 20
Anexa ………………………………………………………………………………… 21
INTRODUCERE
Aceste ghiduri conțin descrieri pentru lucrările de laborator, care utilizează modele virtuale de la cursul „Fizica stării solide”.
Permis de munca de laborator:
Realizat de profesor în grupuri cu un sondaj personal al fiecărui elev. Pentru admitere:
1) Fiecare student își pregătește în prealabil rezumatul personal al acestei lucrări de laborator;
2) Profesorul verifică individual proiectarea rezumatului și pune întrebări despre teorie, tehnica de măsurare, instalarea și prelucrarea rezultatelor;
3) Elevul răspunde întrebări puse;
4) Profesorul permite elevului să lucreze și își pune semnătura în rezumatul elevului.
Înregistrarea lucrărilor de laborator pentru protecție:
O lucrare complet finalizată și pregătită pentru apărare trebuie să îndeplinească următoarele cerințe:
Îndeplinirea tuturor punctelor: toate calculele valorilor cerute, toate tabelele sunt umplute cu cerneală, toate graficele sunt construite etc.
Programele trebuie să îndeplinească toate cerințele profesorului.
Pentru toate valorile din tabele, trebuie înregistrată unitatea de măsură corespunzătoare.
Concluziile pentru fiecare grafic sunt înregistrate.
Un răspuns a fost scris în forma prescrisă.
Concluziile răspunsului sunt înregistrate.
DETERMINAREA PERMEABILITĂȚII DIELECTRICE A SEMICONDUCTOARELOR
Teoria metodei
Polarizare Este capacitatea unui dielectric de a polariza sub influența unui câmp electric, adică modificarea în spațiu aranjamentul particulelor dielectrice încărcate legate.
Cea mai importantă proprietate dielectricii este capacitatea lor de a polariza electric, de exemplu. sub influența unui câmp electric, are loc o deplasare direcționată a particulelor sau moleculelor încărcate pe o distanță limitată. Sub acțiunea unui câmp electric, sarcinile sunt deplasate, atât în molecule polare, cât și în molecule nepolare.
Sunt peste o duzină tipuri diferite polarizare. Să luăm în considerare câteva dintre ele:
1. Polarizare electronică Este deplasarea orbitelor electronilor în raport cu nucleul încărcat pozitiv. Apare în toți atomii oricărei substanțe, adică. în toate dielectricii. Polarizarea electronică se stabilește într-un timp de 10 -15 -10 -14 s.
2. Polarizare ionică- deplasarea unul față de celălalt a ionilor cu încărcare opusă în substanțe cu legături ionice. Timpul de stabilire a acestuia este de 10 -13 -10 -12 s. Polarizarea electronică și ionică se numără printre tipurile de polarizare instantanee sau de deformare.
3. Polarizare dipol sau orientare datorită orientării dipolilor în direcţia câmpului electric. Dielectricii polari au polarizare dipol. Timpul de stabilire a acestuia este de 10 -10 -10 -6 s. Polarizarea dipol este un tip de polarizare lentă sau de relaxare.
4. Polarizarea migrației observată la dielectricii neomogene, în care sarcinile electrice se acumulează la limita secțiunii de neomogenități. Procesele de stabilire a polarizării migratorii sunt foarte lente și pot dura minute sau chiar ore.
5. Polarizarea relaxării ionilor este cauzată de un transfer excesiv de ioni slab legați sub acțiunea unui câmp electric pe distanțe care depășesc constanta rețelei. Polarizarea de relaxare ionică se manifestă în unele substanțe cristaline în prezența impurităților sub formă de ioni sau împachetare liberă a rețelei cristaline. Timpul de stabilire a acestuia este de 10 -8 -10 -4 s.
6. Polarizare electronică de relaxare apare din cauza excesului de electroni „defecte” sau „găuri” excitate de energia termică. Acest tip de polarizare are ca rezultat, de obicei, o constantă dielectrică ridicată.
7. Polarizare spontană- polarizarea spontană care apare în unele substanțe (de exemplu, sarea Rochelle) într-un anumit interval de temperatură.
8. Polarizare elasto-dipol asociat cu rotația elastică a dipolilor prin unghiuri mici.
9. Polarizare reziduală- polarizarea, care rămâne în unele substanțe (electreți) mult timp după îndepărtarea câmpului electric.
10. Polarizare rezonantă... Dacă frecvența câmpului electric este apropiată de frecvența naturală a vibrațiilor dipolului, atunci vibrațiile moleculelor pot crește, ceea ce va duce la apariția unei polarizări rezonante în dielectricul dipolului. Polarizarea rezonantă este observată la frecvențele din regiunea infraroșu. Un dielectric real poate poseda simultan mai multe tipuri de polarizare. Apariția unuia sau altuia tip de polarizare este determinată de proprietățile fizico-chimice ale substanței și de gama de frecvențe utilizate.
Parametri principali:
ε - constantă dielectrică- o măsură a capacității materialului de a polariza; este o valoare care arată de câte ori forța de interacțiune a sarcinilor electrice dintr-un material dat este mai mică decât în vid. În interiorul dielectricului apare un câmp care este îndreptat opus celui exterior.
Puterea câmpului extern slăbește în comparație cu câmpul acelorași sarcini în vid cu un factor de ε, unde ε este permisivitatea relativă.
Dacă vidul dintre plăcile condensatorului este înlocuit cu un dielectric, atunci, ca urmare a polarizării, capacitatea crește. O definiție simplă a constantei dielectrice se bazează pe aceasta:
unde C 0 este capacitatea condensatorului, între plăcile cărora există un vid.
C d este capacitatea aceluiași condensator cu un dielectric.
Constanta dielectrică ε a unui mediu izotrop este determinată de raportul:
(2)
unde χ este susceptibilitatea dielectrică.
D = tan δ - tangenta de pierderi dielectrice
Pierderi dielectrice - pierderi de energie electrică din cauza fluxului de curenți în dielectrici. Se face distincția între curentul prin conducție I sk.pr, cauzat de prezența în dielectrici a unei cantități mici de ioni ușor mobili și curenții de polarizare. Cu polarizarea electronică și ionică, curentul de polarizare se numește curent de deplasare I cm, este de foarte scurtă durată și nu este înregistrat de instrumente. Curenții asociați cu tipurile de polarizare întârziată (de relaxare) se numesc curenți de absorbție I abs. V caz general curentul total din dielectric este definit ca: I = I abs + I sk.pr. După stabilirea polarizării, curentul total va fi egal cu: I = I sk.pr. Dacă într-un câmp constant apar curenți de polarizare în momentul pornirii și opririi tensiunii, iar curentul total este determinat în conformitate cu ecuația: I = I sk.pr, atunci în câmp alternativ apar curenți de polarizare în momentul inversarea polarității tensiunii. În consecință, pierderile în dielectric într-un câmp alternativ pot fi semnificative, mai ales dacă jumătatea perioadei de tensiune aplicată se apropie de momentul stabilirii polarizării.
În fig. 1 (a) prezintă un circuit echivalent cu un condensator cu un dielectric într-un circuit de tensiune alternativă. În acest circuit, un condensator cu un dielectric real, care are pierderi, este înlocuit cu un condensator ideal C cu o rezistență activă R conectată în paralel. 1 (b) prezintă o diagramă vectorială a curenților și tensiunilor pentru circuitul considerat, unde U este tensiunea din circuit; I ak - curent activ; I p - curent reactiv, care este înaintea componentei active în fază cu 90 °; I ∑ - curent total. În acest caz: I a = I R = U / R și I p = I C = ωCU, unde ω este frecvența circulară a câmpului alternativ.
Orez. 1. (a) - diagramă; (b) - diagramă vectorială a curenților și tensiunilor
Unghiul de pierdere dielectrică se numește unghiul δ, care completează unghiul de defazare φ dintre curentul I ∑ și tensiunea U din circuitul capacitiv la 90 °. Pierderile în dielectrici într-un câmp alternant se caracterizează prin tangenta unghiului de pierderi dielectrice: tan δ = I a / I p.
Valorile limită ale tangentei unghiului de pierdere a dielectricului pentru dielectricii de înaltă frecvență nu trebuie să depășească (0,0001 - 0,0004), iar pentru joasă frecvență - (0,01 - 0,02).
Dependența lui ε și tan δ de temperatura T și frecvența ω
Parametrii dielectrici ai materialelor variază în funcție de temperatură și frecvență. Un numar mare de materialele dielectrice nu permit acoperirea caracteristicilor tuturor dependențelor de acești factori.
Prin urmare, în fig. 2 (a, b) arată tendințele generale tipice pentru unele grupuri majore, de ex. sunt prezentate dependenţele tipice ale constantei dielectrice ε de temperatura T (a) şi de frecvenţa ω (b).
Orez. 2. Dependența de frecvență a părților reale (εʹ) și imaginară (εʺ) ale constantei dielectrice în prezența unui mecanism de relaxare a orientării
Constanta dielectrica complexa.În prezența proceselor de relaxare, constanta dielectrică poate fi scrisă convenabil formă integrată... Dacă formula Debye este valabilă pentru polarizabilitate:
(3)
unde, τ este timpul de relaxare, α 0 este polarizabilitatea orientativă statistică. Apoi, presupunând câmpul local egal cu cel extern, obținem (în CGS):
Graficele dependenței εʹ și εʺ de produsul ωτ sunt prezentate în Fig. 2. Rețineți că o scădere a εʹ (partea reală a lui ε) are loc în apropierea maximului lui εʺ (partea imaginară a lui ε).
Un astfel de curs de schimbare a εʹ și εʺ cu frecvența este un exemplu frecvent de rezultat mai general, conform căruia εʹ (ω) de frecvență implică și dependența lui εʺ (ω) de frecvență. În sistemul SI, 4π ar trebui înlocuit cu 1 / ε 0.
Sub acțiunea unui câmp aplicat, moleculele dintr-un dielectric nepolar sunt polarizate, devenind dipoli cu un moment dipol indus μ și proporțional cu intensitatea câmpului:
(5)
Într-un dielectric polar, momentul dipol al unei molecule polare μ în cazul general este egal cu suma vectorială a μ 0 intrinsec și μ indus. și momente:
(6)
Puterile câmpului creat de acești dipoli sunt proporționale cu momentul dipolului și invers proporționale cu cubul distanței.
Pentru materialele nepolare, de obicei ε = 2 - 2,5 și nu depinde de frecvența până la ω ≈10 12 Hz. Dependența lui ε de temperatură se datorează faptului că atunci când se modifică, dimensiunile liniare ale solidelor și volumele dielectricilor lichidi și gazoși se modifică, ceea ce modifică numărul de molecule n pe unitate de volum.
și distanța dintre ele. Folosind relaţiile cunoscute din teoria dielectricilor F = n \μ șiși F =ε 0 (ε - 1) E, Unde F- polarizarea materialului, pentru dielectricii nepolari avem:
(7)
Pentru E = const de asemenea μ și= const iar modificarea temperaturii în ε se datorează numai modificării în n, care este funcție liniară temperatura Θ, dependența ε = ε (Θ) este și ea liniară. Nu există dependențe analitice pentru dielectricii polari, iar cele empirice sunt de obicei folosite.
1) Odată cu creșterea temperaturii, volumul dielectricului crește și constanta dielectrică scade ușor. Scăderea ε este vizibilă mai ales în perioada de înmuiere și topire a dielectricilor nepolari, când volumul acestora crește semnificativ. Datorită frecvenței mari de revoluție a electronilor pe orbite (de ordinul a 10 15 –10 16 Hz), timpul pentru stabilirea unei stări de echilibru a polarizării electronice este foarte scurt și permitivitatea ε a dielectricilor nepolari nu depinde de câmp. frecvență în domeniul de frecvență utilizat în mod obișnuit (până la 10 12 Hz).
2) Odată cu creșterea temperaturii, legăturile dintre ionii individuali se slăbesc, ceea ce facilitează interacțiunea lor sub acțiunea unui câmp extern și aceasta duce la creșterea polarizării ionice și a constantei dielectrice ε. Datorită scurtării timpului necesar stabilirii stării de polarizare ionică (de ordinul a 10 13 Hz, care corespunde frecvenței naturale a oscilațiilor ionilor în rețeaua cristalină), o modificare a frecvenței câmpului extern în intervalele obișnuite de funcționare practic nu afectează valoarea lui ε în materialele ionice.
3) Constanta dielectrică a dielectricilor polari depinde puternic de temperatura și frecvența câmpului extern. Odată cu creșterea temperaturii, mobilitatea particulelor crește și energia de interacțiune dintre ele scade, adică. orientarea lor devine mai ușoară sub acțiunea unui câmp extern - polarizarea dipolului și constanta dielectrică cresc. Cu toate acestea, acest proces continuă doar până la o anumită temperatură. Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, permeabilitatea ε scade. Deoarece orientarea dipolilor în direcția câmpului se realizează în procesul de mișcare termică și prin intermediul mișcării termice, stabilirea polarizării necesită un timp considerabil. Acest timp este atât de lung încât în câmpurile alternative de înaltă frecvență, dipolii nu au timp să se orienteze de-a lungul câmpului, iar permitivitatea ε scade.
Tehnica de măsurare a constantei dielectrice
Capacitatea condensatorului. Condensator Este un sistem de doi conductori (plăci) separate de un dielectric, a cărui grosime este mică în comparație cu dimensiunile liniare ale conductorilor. Deci, de exemplu, două plăci metalice plate, situate în paralel și separate printr-un strat dielectric, formează un condensator (Fig. 3).
Dacă plăcile unui condensator plat primesc sarcini de modul egal semnul opus, atunci intensitatea câmpului electric dintre plăci va fi de două ori mai mare decât intensitatea câmpului unei plăci:
(8)
unde ε este constanta dielectrică a dielectricului care umple spațiul dintre plăci.
Mărimea fizică determinată de raportul de încărcare q se numește una dintre plăcile condensatorului la diferența de potențial Δφ dintre plăcile condensatorului capacitatea electrică a condensatorului:
(9)
Unitatea de măsură a capacității electrice SI - Farad(F). Un astfel de condensator are un condensator de 1 F, a cărui diferență de potențial dintre plăci este egală cu 1 V atunci când plăcile sunt alimentate cu sarcini opuse de 1 C: 1 F = 1 C / 1 V.
Capacitatea unui condensator plat. Formula de calcul a capacității electrice a unui condensator plat poate fi obținută folosind expresia (8). Într-adevăr, puterea câmpului este: E= φ / εε 0 = q / εε 0 S, Unde S Este aria plăcii. Deoarece câmpul este uniform, diferența de potențial dintre plăcile condensatorului este: φ 1 - φ 2 = Ed = qd/εε 0 S, Unde d Este distanța dintre plăci. Înlocuind în formula (9), obținem o expresie pentru capacitatea electrică a unui condensator plat:
(10)
Unde ε 0 - constanta dielectrica a aerului; S- aria plăcii condensatorului, S = hl, Unde h- latimea placii, l- lungimea acestuia; d- distanta dintre placile condensatorului.
Expresia (10) arată că capacitatea electrică a unui condensator poate fi mărită prin creșterea ariei S plăcile sale, micșorând distanța dîntre ele și utilizarea dielectricilor cu valori mari ale constantei dielectrice ε.
Orez. 3. Condensator cu un dielectric plasat în el
Dacă o placă dielectrică este plasată între plăcile condensatorului, capacitatea condensatorului se va modifica. Trebuie luată în considerare locația plăcii dielectrice între plăcile condensatorului.
Să notăm: d c - grosimea golului de aer, d m - grosimea plăcii dielectrice, l B este lungimea părții de aer a condensatorului, l m este lungimea părții condensatorului umplută cu un dielectric, ε m este constanta dielectrică a materialului. Având în vedere că l = lîn + l m și d = dîn + d m, atunci aceste opțiuni pot fi luate în considerare pentru cazurile:
Cand l b = 0, d la = 0 avem un condensator cu un dielectric solid:
(11)
Din ecuațiile electrodinamicii macroscopice clasice, bazate pe ecuațiile lui Maxwell, rezultă că atunci când un dielectric este plasat într-un câmp alternativ slab care se modifică armonic cu o frecvență ω, tensorul constant dielectric complex ia forma:
(12)
unde σ este conductivitatea optică a substanței, εʹ este constanta dielectrică a substanței asociată cu polarizarea dielectricului. Expresia (12) poate fi redusă la următoarea formă:
unde termenul imaginar este responsabil pentru pierderea dielectrică.
În practică, se măsoară C - capacitatea unei probe sub forma unui condensator plat. Acest condensator este caracterizat de tangenta de pierderi dielectrice:
tgδ = ωCR c (14)
sau factor de calitate:
Q c = 1 / tgδ (15)
unde R c - rezistenta, in functie in principal de pierderile dielectrice. Există o serie de metode de măsurare a acestor caracteristici: diferite metode de punte, măsurători cu conversia parametrului măsurat într-un interval de timp etc. ...
La măsurarea capacității C și a tangentei de pierdere dielectrică D = tgδ în această lucrare, am folosit tehnica dezvoltată de GOOD WILL INSTRUMENT Co. Ltd. Măsurătorile au fost efectuate pe un contor de imitanță de precizie - LCR-819-RLC. Dispozitivul vă permite să măsurați capacitatea în intervalul 20 pF – 2,083 mF, tangenta de pierdere în intervalul 0,0001-9999 și să aplicați un câmp de deplasare. Offset intern până la 2 V, offset extern până la 30 V. Precizia măsurării este de 0,05%. Frecvența semnalului de testare 12 Hz -100 kHz.
În această lucrare, măsurătorile au fost efectuate la o frecvență de 1 kHz într-un interval de temperatură de 77 K< T < 270 К в нулевом магнитном поле и в поле 5 kOe. Образцы для измерений имели форму параллелепипеда с размерами 2*3*4 мм (х=0.1), где d = 2 мм – толщина образца, площадь грани S = 3*4 мм 2 .
Pentru a obține dependențe de temperatură, celula cu proba este plasată într-un flux de lichid de răcire (azot) trecut printr-un schimbător de căldură, a cărui temperatură este setată de încălzitor. Temperatura încălzitorului este controlată de un termostat. Feedback-ul de la contorul de temperatură către termostat vă permite să setați rata de măsurare a temperaturii sau să o stabilizați. Un termocuplu este folosit pentru a controla temperatura. În această lucrare, temperatura a fost schimbată cu o rată de 1 grad/min. Această metodă vă permite să măsurați temperatura cu o eroare de 0,1 grade.
Celula de măsurare cu proba fixată pe ea este plasată într-un criostat cu flux. Celula este conectată la contorul LCR prin fire ecranate printr-un conector din capacul criostatului. Criostatul este plasat între polii electromagnetului FL-1. Unitatea de alimentare cu magnet permite obținerea de câmpuri magnetice de până la 15 kOe. Un senzor Hall stabilizat termic cu o unitate electronică este utilizat pentru a măsura mărimea câmpului magnetic H. Pentru a stabiliza câmpul magnetic, există un feedback între sursa de alimentare și contorul de câmp magnetic.
Valorile măsurate ale capacității C și tangentei unghiului de pierdere D = tan δ sunt legate de valorile mărimilor fizice căutate εʹ și εʺ prin următoarele relații:
(16)
(17)
| № | C (pF) | Re (ε ') | T (° C) | tg δ | Q c | Sunt (ε") | ω (Hz) | σ (ω) |
| 3,805 | 71,66 | 0,075 | 13,33 | 5,375 | 10 3 | |||
| 3,838 | 0,093 | |||||||
| 3,86 | 0,088 | |||||||
| 3,849 | 0,094 | |||||||
| 3,893 | 0,106 | |||||||
| 3,917 | 0,092 | |||||||
| 3,951 | 0,103 | |||||||
| 3,824 | 0,088 | |||||||
| 3,873 | 0,105 | |||||||
| 3,907 | 0,108 | |||||||
| 3,977 | 0,102 | |||||||
| 4,031 | 0,105 | |||||||
| 4,062 | 0,132 | |||||||
| 4,144 | 0,109 | |||||||
| 4,24 | 0,136 | |||||||
| 4,435 | 0,175 | |||||||
| 4,553 | 0,197 | |||||||
| 4,698 | 0,233 | |||||||
| 4,868 | 0,292 | |||||||
| 4,973 | 0,361 | |||||||
| 5,056 | 0,417 | |||||||
| 5,164 | 0,491 | |||||||
| 5,246 | 0,552 | |||||||
| 5,362 | 0,624 | |||||||
| 5,453 | 0,703 | |||||||
| 5,556 | 0,783 | |||||||
| 5,637 | 0,867 | |||||||
| 5,738 | 0,955 | |||||||
| 5,826 | 1,04 | |||||||
| 5,902 | 1,136 |
Tabelul 1. Gd x Mn 1-x S, (x = 0,1).
