Elektrimaterjalid - konspekt (0)

2. AINE EHITUS
2.1. AINE NELI OLEKUT
Gaasiline olek
Gaasid välismõju puudumisel laienevad ja täidavad kogu võimaliku ruumi. Gaasides molekulidevaheline kaugus ületab rohkem kui 10 korda molekulide mõõtmeid.
Vedel olek
Vedelikes on molekulid tunduvalt lähenenud teineteisele.Vedelikud moodustavad pidevalt omavahel tekkivaid ja lagunevaid ebapüsivaid komplekse. Komplekside olemasoluga on seletatav vedelike voolavus .Vedelik võtab anuma kuju.Kui vedelikule rakendada väga lühiajaline jõud, käitub ta tahke kehana
Tahked ained ( tahkised )
Tahkised säilitavad mehaanilise koormuse all oma kuju. Struktuurilt ja omadustelt jagunevad tahkised mitmesse alarühma: Monokristallid, Polükristallid, Amorfsed ained, Keeruka ehitusega tahkised
Monokristallid
Koosnevad aatomitest, molekulidest või ioonidest, mis asuvad kindlates ruumipunktides, kristallvõre sõlmedes. Aatomite, ioonide ja molekulide vastastikune asend monokristallis kordub suurematel vahekaugustel – kaugkorrastatus. Osakeste paigutuse korrapärasus väikestel vahekaugustel - lähikorrastatus
Polükristallid
koosnevad paljudest monokristallidest. asetuvad ebaregulaarselt
tavaliselt tekkivad sulanud ainete jahtumisel. Kõiki kristalseid aineid iseloomustab kindel sulamistemperatuur
Amorfsed ained
neis esineb ainult lähikorrastatus, amorfsed ained on isotroopsed, sellesse tahkiste rühma kuuluvad anorgaanilised klaasid ja paljud orgaanilised ained, sulamistemperatuur puudub, see on asendunud pehmenemistemperatuuriga
Keeruka ehitusega tahkised
väikesed monokristallid asuvad amorfses ümbrises( keraamika ja polümeerid)
Plasma
koosneb ühe- ja mitmekordselt ioniseeritud aatomitest ja elektronidest, moodustub kõrgel temperatuuril ja elektrilahendustes, suur elektrijuhtivus
2.2. AATOMID JA IOONID
2.2.1 Elektronide olek aatomis
Elektronil on üheaegselt nii massiosakese kui laine omadused.Elektroni koordinaati ja impulssi pole üheaegselt võimalik täpselt määrata. Me võime teada ainult elektroni olekut e. elektroni orbitaali
Statsionaarses olekus on elektron ainult teatud kindlatel kvanditud orbitaalidel
Kvantarvud
peakvantarv n n = 1, 2, 3,…,
magnetkvantarv m m = 0, ±1, ±2,…, l
spinnkvantarv s s =+1/2 või s = -1/2
orbitaalkvantarv l l = 0, 1, 2, 3,…, n-1
Pauli printsiibi kohaselt võib aatomis ühes ja samas olekus olla ainult üks elektron. Kaks elektroni aatomis peavad olema vähemalt ühe kvantarvu võrra erinevates olekutes. Ergastamata aatomis asuvad elektronid kõige madalama energiaga statsionaarsetes olekutes. Aatomi elektronkatte täitumisel täidetakse elektronidega kõigepealt kõige madalama energiaga vabad olekud. Sama n, l ja m väärtusega on ainult kaks olekut, mis erinevad teineteisest spinnkvantarvu s väärtuselt (vastavalt +1/2 ja –1/2). Aatomi elektronkate jaguneb vastavalt peakvantarvule elektronkihtideks, kus suurim võimalik elektronide olekute arv kihis võrdub 2n2. Peakvantarvule vastavad elektroni olekud jagunevad omakorda veel vastavalt orbitaalkvantarvule l
Elektronide siire (ergastumine)
Toimub aatomite ergastumisel välimistes, osaliselt täidetud valentskihtides. Elektroni aatomist vabastamise energia e ionisatsioonienergia sõltub täitmata (vakantsete) olekute arvust aatomis. Mida rohkem on aatomis vakantseid olekuid , seda madalam on ionisatsioonienergia. Suurim ionisatsioonienergia on inertgaasi aatomitel .
2.2.2. Aatomite elektronegatiivsus
Mõnedel aatomitel ja molekulidel on võime siduda elektrone, ise muutuvad nad negatiivseteks ioonideks. Neutraalse aatomi või molekuli ja sellest tekkinud iooni põhiseisundite energiate vahet nimetatakse elektronafiinsuseks. Kui elektroni sidumisel energia eraldub, on elektronafiinsus positiivne, neeldumisel aga negatiivne. Suurim elektronafiinsus on aatomitel, mille p-allkihis on minimaalne arv täitmata olekuid (s.o üks) -- halogeenidel. Elektroni haaramisega saavutab halogeen samasuguse elektronkatte struktuuri, nagu on tema naaberelemendil inertgaasil. Inertgaasil enesel on elektronafiinsus negatiivne ja ta ei haara elektrone . Aatomi võimet ühendi moodustumisel haarata elektroni nimetatakse elektronegatiivsuseks(x)
Kui kahe aatomi ühinemisel üks aatom annab oma elektroni ära ja muutub positiivseks iooniks , siis sellist keemilist elementi nimetatakse elektropositiivseks. Teist elementi, mille aatom saab elektroni, nimetatakse elektronegatiivseks. Ligikaudu võib elektropositiivseteks lugeda metalle ja elektronegatiivseteks mittemetalle e metalloide
2.3. KEEMILINE SIDE
2.3.1. Keemilise sideme põhjused
Aatomite lähenemisel teineteisest mõne ongströmi (1 Å = 10-10 m) kaugusele tekivad vastasmõjud. Sõltuvalt elektronide liikumise iseloomust tekivad tõmbe- või tõukejõud . Esimesel juhul aatomid ühinevad ja eraldub energiat. Aatomite molekuliks ühinemise eelduseks on, et tekkinud molekuli energia peab olema väiksem ühinemises osalevate aatomite summaarsest energiast. Aatomite süsteemi (molekuli, kristalli) koguenergia koosneb potentsiaalsest energiast Wp ja kineetilisest energiast Wk:. Potentsiaalne energia Wp - aatomituumade ja elektronide vahelise elektrilise ning magnetilise mõju energia. Magnetiline mõju on väike ja sellega keemilise sideme arvutamisel ei arvestata. Elektronidega täielikult täidetud kihtides elektronide potentsiaalne ja kineetiline energia on praktiliselt muutumatud ja vastava energiaga pole samuti vaja arvestada. Tuumade kineetiline energia on soojusliikumise energia .Keemilise sideme energia määravad elektronkatte ülemises, elektronidega osaliselt täidetud kihis olevate valentselektronide potentsiaalse ja kineetilise energia muut ning aatomi fragmendi (aatomituuma ja seda ümbritseva elektronidega täielikult täidetud kihtide) potentsiaalse energia muut
2.3.2 Kovalentne side
Kovalentne side moodustub mittemetallide aatomite vahel, mille elektronafiinsus ei erine suuresti. Kovalentse sideme moodustumise eelduseks on, et ühinevate aatomite valents ­elektronide osa orbitaale on täidetud ainult ühe elektroniga, st. orbitaali positiivne spinn on kompenseerimata teise elektroni negatiivse spinniga (elektron on paardumata ) .Taoline olukord on võimalik seetõttu, et elektronide väliskihi allkihtides täidetakse orbitaalid kõigepealt samasuunalise spinniga elektronidega . Kovalentne side tekib, kui ühinevad erinevate aatomite vastandmärgiliste spinnidega elektronide orbitaalid. Sellist kovalentse sideme selgitamise meetodit nimetatakse elektronpaaride meetodiks . Side võib olla ühe-, kahe- või kolmkordne (liht-, kaksik- ja kolmikside). Kovalentse sideme puhul aatomid ei ioniseeru, st. sidemes osalevad elektronid kuuluvad üheaegselt mõlemale aatomile
2.3.3. Ioonside
Kui teineteisele lähenevad elektronafiinsuselt palju erinevad aatomid, siis tekib nende vahel ioonside.Moodustuva ioonse molekuli energia koosneb kolmest komponendist: Wi - metalliaatomi ionisatsioonienergia, Wea - mittemetalli aatomi elektronafiinsus, We - ioonide vaheline elektrostaatilise tõmbe energia
2.4. MOLEKULIDE POLAARSUS
Lihtsaim on üheaatomiliste gaaside molekulide ehitus. Kokku langevad positiivsete ja negatiivsete laengute keskmed kahest sama keemilise elemendi aatomist moodustunud molekulis . Selliseid kokkulangevate laengukeskmetega molekule nimetatakse mittepolaarseteks. Ioonsete ühendite molekulid on seevastu polaarsed, s.t nende positiivsete ja negatiivsete laengute keskmed ei lange kokku. Molekuli polaarsust iseloomustatakse dipoolmomendiga.
q 
- iooni laeng, r - ioonide keskmete vaheline kaugus. Dipoolmoment on vektorsuurus. Iooni laeng on seotud valentsiga. Ühevalentsetel ioonidel on laeng võrdne elektroni laenguga: q = qe =1,6.10-19 C. Mitmevalentsetel ioonidel
Z - iooni valents. Polaarsed ei ole mitte ainult ioonsed molekulid, vaid ka osa kovalentseid molekule, kus positiivsete ja negatiivsete laengute keskmed ei lange kokku.
2.5. MOLEKULIDE MAGNETILISED OMADUSED
Kui aatomis toimub laengute liikumine, siis kaasneb sellega magnetmoment
i – elementaarvool aatomis
Elementaarvoolude põhjuseid aatomis on kolm: elektroni orbitaal , elektroni spinn, tuuma spinn. Elektronide olek aatomis on kvanditud. Seega orbitaalide täieliku täitumuse korral elektronide orbitaali ja spinnide magnetmomendid kompenseeruvad täielikult. (NB! Spinnid saavad olla +1/2 ja –1/2, magnetkvantarvud +1, 0, -1 jne). Kui orbitaalid on täidetud elektronidega osaliselt, siis ei ole magnetmomentide kompensatsioon täielik ja aatomil on välisest magnetväljast sõltumatu püsiv magnetmoment. Lisaks põhjustab elektroni orbitaal veel teistsuguse reaktsiooni magnetväljale. Nimelt kujutab elektroni tiirlemine orbiidil endast elektrivoolu. Elektroni trajektoor orbiidil on kvanditud ja pindala S muutuda ei saa. Muutuma peab vool, seega muutub elektroni ringsagedus . Seda nähtust nimetatakse diamagnetismiks, mis esineb kõikidel aatomitel. Diamagnetism ei sõltu püsiva magnetmomendi olemasolust aatomitel. Püsiva magnetmomendiga aatomite orienteerumine välise magnetvälja suunas vastupidiselt diamagnetismile suurendab magnetvälja. Seda nähtust nimetatakse paramagnetismiks. Dia- ja paramagnetismi mõju aine magnetilistele omadustele on suhteliselt nõrk
2.7. KRISTALLID
2.7.1. Keemiline side kristallides
Kristallide omadused sõltuvad keemilise sideme liigist. Metalli kristallid, Valentsed (kovalentsed või atomaarsed) kristallid, Ioonkristallid, Molekulaarkristallid
Metalli kristallid - Keemilise sideme moodustavad valentselektronid osaliselt täidetud väliskihtides. Metalli aatomid asetsevad kristallis nii, et valentselektronid saavad võimaluse vabalt liikuda kristalli piires. Olukorda võib vaadelda nii, et positiivsete metalliioonide vahel liigub elektrongaas . Elektrongaas tasakaalustab positiivsete ioonide vahelise tõukejõu
Valentsed kristallid - Keemiline side luuakse elektronpaaridega (kovalentne side!). Kristallidele on iseloomulik kovalentsete sidemete küllastatus. Seega, kui elektron liigub kristallis ühes suunas, siis leidub alati teine vastassuunas liikuv elektron. Valentskristallides tuleb elektroni vabastamiseks keemiline side purustada. Tüüpnäited: teemant , räni, germaanium
Ioonkristallid - Koosnevad positiivsetest ja negatiivsetest ioonidest (ioonside!). Valentselektronid on küllalt tugevalt seotud elektronkihtidega
Molekulaarkristallid - Moodustuvad van der Vaalsi sideme mõjul. Sidet tekitavaid jõudusid nimetatakse ka dispersioonmõjuks. Orbiidil tiirlevat elektroni ja tuuma võib vaadelda pöörleva dipoolina. Naaberaatomite / dipoolide tiirlemisel tekib nende vahel mõningane “kooskõlastatus”. Aatomite vahel tekib suhteliselt nõrk side. Näited: lämmastik, argoon , hapnik, neoon , parafiin ja paljud teised orgaanilised ained
2.8. ELEKTRONIDE ENERGEETILISED SPEKTRID
Et elektronide võimalikud orbitaalid aatomis on kvanditud, siis vastab igale orbitaalile ka kindel energia. Seda saab kujutada energiadiagrammina. Normaalselt asub elektron madalaimal võimalikul energianivool (valentskihis). Kui elektron saab väljast energiakvandi, mille suurus võrdub kahe võimaliku energianivoo vahega, siirdub ta sellele teisele energianivoole, st ergastub. Kui energiakvant võimaldab elektronil siirduda nivoole W=0, siis ta vabaneb aatomist, st ioniseerub. Vastav energia on ionisatsioonienergia Wi
Vesiniku aatomi energeetiline spekter
Wi – ionisatsioonienergia
Selle kõrval on noolega näidatud elektroni ergastamiseks valentsnivoolt nivoole n=3, l=0 vajalik energiakvant. Kristallis elektronide energianivood nihkuvad, nihe on umbes 10-20 eV (Pauli printsiip!) Tekivad energiatsoonid. Valentsnivoodel on naaberaatomite elektronide vastastikune mõju suurem ja nivoodest tekivad laiemad tsoonid
Tsoonide teke - Valentsnivoode nihkumisega tekib valentstsoon. Liituvad ka valentselektronide nivoodest kõrgemal asuvad elektronidega täitmata energianivood. Neist moodustub vabatsoon . Kui valentstsoonis osa võimalikke olekuid on elektronidega täitmata, tekib nende vaba liikumise võimalus kristalli piires. Selliste omadustega on kõik metallid. Vaba liikumine kristalli piires võimaldab selles elektronide suunatud liikumist, st elektrivoolu. Selleks, et elektron saaks kristalli piires vabalt liikuda, tuleb talle anda energiakvant, mis siirdaks ta vabatsooni! Valentstsooni ja vabatsooni vahel peab seega olema energialünk – keelutsoon. Keelutsooni laius võimaldab materjale liigitada samadesse rühmadesse nagu elektrijuhtivuse alusel:dielektrikud, pooljuhid, elektrijuhid
Materjalide klassid
3. DIELEKTRIKUD
3.1 DIELEKTRIK ELEKTRIVÄLJAS
Erinevalt juhtivatest ainetest on dielektrikus peaaegu kõik laetud osakesed seotud aatomisiseste, molekulisiseste või molekulidevaheliste jõududega. Seepärast on ka välise elektrivälja mõjul vabade elektronide või ioonide poolt elektrilaengute edasikandumisest tekkiv juhtivusvool tühiselt väike. Dielektrikus esinevatest nähtustest omab erilist tähtsust polarisatsioon
Polarisatsiooniks nimetatakse seotud laengute piiratud nihkumist või dipoolsete molekulide orienteerumist dielektrikus välise elektrivälja mõjul . Dielektriku viimisel välisesse elektrivälja hakkavad aine molekulide laetud osakestele mõjuma mehaanilised jõud. Need jõud kutsuvad esile molekulide sees positiivse laenguga osakeste nihkumise välja suunas ja negatiivse laenguga osakeste nihkumise vastassuunas. Elektriväja tugevuse
Laengu pindtihedus plaatidel
Kondensaatori plaatide vahel tühjuses olevat elektrivälja võib iseloomustada suurusega, kus ε on elektriline konstant. Veel kehtib kondensaatorile seos. Juhul, kui kondensaatori plaatide vahele asetatakse dielektrik, siis dielektriku molekulid elektriväljas polariseeruvad. Kui plaatide vahele panna dielektrik, siis see polariseerub ja tekipb lisalaeng plaatidele – indutseeritud dipool. Polarisatsiooninähtuse iseloomustamiseks kasutatakse tavaliselt mõistet polariseerumus P. Polarisatriooni sõltuvus E-st: , aa - absoluutne dielektriline vastuvõtlikkus.
Valemi sulgudesse jäävat osa tähistatakse ja nimetatakse suhteliseks dielektriliseks läbitavuseks .
kus on absoluutne dielektriline läbitavus, F/m .Vaakumi suhteline dielektriline läbitavus on 1 Plaatide vahel ε>1. Dielektriku suhteline dielektriline läbitavus võrdub dielektrikuga kondensaatori mahtuvuse suhtega sama kondensaatori mahtuvusse, kui selles dielektrik on asendunud tühjusega.
3.2 DIELEKTRIKUTE POLARISATSIOONI LIIGID
kadudeta polarisatsiooni liigid, kadudega polarisatsiooni liigid
Kadudeta polarisatsiooni korral toimub seotud laengute nihkumine elektrivälja mõjul praktiliselt hetkeliselt. Laengute nihkumine on elastne, s.t nihkumisega ei kaasne energia hajumist ja soojuse eraldumist dielektrikus. Kadudeta polarisatsiooni liigid on:elektronpolarisatsioon , ioonpolarisatsioon
Kadudega polarisatsioon ei toimu hetkeliselt, vaid aine polariseerub ja depolariseerub aeglustatult. Polariseerumisega kaasneb energiakadu ja dielektrikus soojuse eraldumine. Kadudega polarisatsiooni nimetatakse ka relaksatsioonpolarisatsiooniks. Kadudega polarisatsiooni liikideks on: dipool(-relaksatsioon)polarisatsioon, kadudega ioonpolarisatsioon,elektron-relaksatsioonpolarisatsioon, struktuur- e migratsioonpolarisatsioon, spontaanne polarisatsioon.
Elektronpolarisatsiooniks nimetatakse elektriväljas aatomite elektronkatete elastset deformatsiooni ja piiratud nihkumist tuumade suhtes. Kuna elektronide mass on väga väike, siis nende nihkumiskiirus elektriväljas on väga suur. Elektronkatete nihkumine aatomites ei sõltu temperatuurist, kuid kuna temperatuuri tõustes kehad paisuvad ja aine tihedus väheneb, siis väheneb ka dielektriline läbitavus e. Elektronpolarisatsioon esineb kõigis dielektrikutes vaatamata sellele, kas neis võib
Ioonpolarisatsioon on võimalik nn. tihedalt pakitud ioonkristallides. Neis kristallides on igal ioonil kindel asend, mille suhtes ta sooritab soojusvõnkumisi. Elektrivälja rakendamisel toimub ioonide elastne nihe tasakaaluasendist: positiivsed ioonid nihkuvad elektrivälja suunas, negatiivsed vastassuunas. Kui kristalli temperatuur tõuseb ja tihedus väheneb, siis ioonpolarisatsioon intensiivistub. Ioonpolarisatsiooni toimumisaeg on umbes 10-13 s
Dipoolpolarisatsioon esineb dipoolsete molekulidega gaasilistes, vedelates ja tahketes dielektrikutes. Dipoolid on pidevas kaootilises soojusvõnkumises ja molekulide püsivale dipoolmomendile vaatamata dielektrik ei ole polariseerunud . Kui dielektrikule rakendada elektriväli, siis dipoolid püüavad orienteeruda oma telgedega elektrivälja suunas, kuid seda takistab molekulide soojusvõnkumine. Kokkuvõttes dipoolid pöörduvad elektrivälja suunas osaliselt, s.t dielektrik polariseerub. Katsed näitavad, et dipoolide võnketasandi täielikku pöördumist elektrivälja suunas ja polarisatsiooni küllastumist dipoolsetes dielektrikutes ei toimu. Dipoolpolarisatsioon on võimalik ainult siis, kui molekulaarjõud ei tõkesta dipoolide orienteerumist elektriväljas. Molekulaarjõud vähenevad temperatuuri tõustes, s.t viskoossuse kahanedes. Teiselt poolt, temperatuuri tõus tähendab molekulide soojusvõnkumisenergia suurenemist , mille tagajärjel dipoolide orienteerumine elektriväljas raskeneb. Dipoolsete molekulide orienteerumine elektriväljas on seotud sisehõõrdumisega ja energiakadudega, mille tagajärjel dielektrikus eraldub soojus . Temperatuuril, millel viskoossus on väga suur, dipoolid ei suuda orienteeruda ja orienteerumisega seotud energiakaod puuduvad. Kõrgematel temperatuuridel on aga viskoossus vähenenud sedavõrd , et dipoolid saavad orienteeruda praktiliselt ilma sisehõõrdejõudusid ületamata. Ilmselt on mingil vahepealsel temperatuuril dipoolpolarisatsiooni kaod suurimad. Dipoolpolarisatsiooni hinnatakse tavaliselt nn. relaksatsiooniajaga, s.o ajaga, mille jooksul dipoolsete molekulide orienteeritus elektrivälja suunas väheneb soojusvõnkumiste tagajärjel e korda (s.t 2,7 korda). Dipoolne polarisatsioon esineb peamiselt dipoolsetes e. polaarsetes gaasides ja vedelikes. Esineb teda samuti orgaanilistes tahketes dielektrikutes. Kuna nende ainete molekulid on suuremõõtmelised ja molekulidevahelised jõud tugevad, siis terved molekulid elektriväljas tavaliselt pöörduda ei saa ja tahketes dielektrikutes toimub nn. dipool-radikaalpolarisatsioon. Elektriväljas orienteeruvad molekuli radikaalid. Nt. paberis orienteeruvad tselluloosimolekulide koosseisu kuuluvad OH-hüdroksüülrühmad
Kadudega ioonpolarisatsioon esineb nn. hõredalt pakitud anorgaanilistes kristalsetes ainetes ja anorgaanilistes klaasides. Esineb nn. hõredalt pakitud anorgaanilistes kristalsetes ainetes ja anorgaanilistes klaasides. Nendes ainetes ioonid saavad liikuda suuremaid vahemaid, kui ioonid tihedalt pakitud kristallides. Kuna ioonil võib seejuures olla mitu stabiilset asukohta, siis soojusvõnkumiste mõjul toimub ioonide pidev asukoha vahetus ning aine tervikuna ei ole polariseerunud. Elektrivälja soodustusel on ülekaalus positiivsete ioonide nihked elektrivälja suunas ja negatiivsete ioonide nihked vastassuunas – dielektrik polariseerub. Elektrivälja kadumisel polarisatsioon kahaneb eksponentsiaalselt. Ioonide soojusvõnkumiste intensiivsus mõjutab kadudega ioonpolarisatsiooni oluliselt – temperatuuri tõustes see kasvab
Elektron-relaksatsioonpolarisatsioon tekib dielektrikus olevate liigelektronide või –aukude ergastamisest kõrgemal temperatuuril
Struktuur- e. migratsioonpolarisatsioon on makroskoopiliselt ebaühtlase struktuuriga ja juhtivaid lisandeid sisaldavates tahketes dielektrikutes esinev täiendav polarisatsiooni liik
See polarisatsioon esineb alalispingel ja madala sagedusega vahelduvpingetel ning on seotud suurte energiakadudega. Polarisatsiooni põhjustavad juhtivad ja pooljuhtivad osakesed dielektrikutes. See polarisatsioon tekib ka erineva elektrijuhtivusega kihtidest koosnevas kihilises isolatsioonis. Elektrivälja mõjul koguneb osa vabu elektrone ja ioone osakeste või kihtide pinnale. Selliselt kujunevad suured polariseerunud piirkonnad. Kuna polarisatsioon erinevalt muudest polarisatsiooniliikidest on seotud vabade laengukandjate liikumisega elektriväljas suurtele vahekaugustele, siis on struktuurpolarisatsioon seotud suurte energiakadudega dielektrikus
Spontaanpolarisatsioon esineb senjettelektrikutes. Senjettelektrikutes on olemas spontaanselt polariseerunud suured piirkonnad, s.t piirkonnad millel on välise elektrivälja puudumisel olemas suur elektriline moment. Selliseid piirkondi nimetatakse domeenideks. Elektrivälja puudumisel on domeenide elektriliste momentide orientatsioon juhuslik ja senjettelektrikul tervikuna elektriline moment siiski puudub. Elektrivälja rakendamine soodustab domeenide elektriliste momentide pöördumist elektrivälja suunas ja senjettelektriku väga tugevat polariseerumist. Teatud elektrivälja tugevusel domeenide pöördumine elektrivälja suunas küllastub – elektrivälja edasisel kasvamisel polariseerumuse juurdekasv aeglustub tunduvalt. Domeenide pöördumine elektriväljas on seotud suurte kadudega
Aseskeem Vastavalt polarisatsiooniliikidele koostatakse dielektriku aseskeem, milles polarisatsiooniga seotud dielektrilist läbitavust kujutatakse ekvivalentse kondensaatori mahtuvuse kaudu, polarisatsiooniga kaasnevaid kadusid aga takistuste abil
3.3 DIELEKTRIKUTE RÜHMAD
Dielektrikud jagatakse omaduste alusel mitmesse rühma. Esimese rühma moodustavad dielektrikud, milles põhiliseks polarisatsiooniks on elektronpolarisatsioon. Siia kuuluvad mittepolaarsed ja nõrgalt polaarsed kristallilised ja amorfsed tahked ained (nt parafiin, väävel , polüstürool) ja mittepolaarsed ja nõrgalt polaarsed vedelikud ja gaasid (bensool, vesinik jms.). Teise rühma moodustavad elektron- ja dipoolpolari-satsiooniga dielektrikud – polaarsed orgaanilised, poolvedelad ja tahked ained (nt õli-kampolkompaundid, epoksüüdvaigud, tselluloos, mõned klooritud süsi-vesinikud). Kolmas rühm – tahked anorgaanilised dielektrikud, kui neis esineb elektron-, ioon - ja kadudega ioon-polarisatsioon. Alarühmad: Elektron- ja ioonpolarisatsiooniga dielektrikud. Siia kuuluvad kristalsed ioonide tiheda pakisega ained ( kvarts , vilk, kivisool , korund, rutiil ) ja Elektron-, ioon- ja kadudega ioonpolarisatsiooniga dielektrikud. Siia kuuluvad anorgaanilised klaasid, amorfset faasi sisaldavad materjalid (portselan, mikaleks) ja ioonide hõreda pakisega kristalsed ained. Neljas rühm – senjettelektrikud . Neis esineb samaaegselt spontaanne, elektron-, ioon- ja elektron-ioon-relaksatsioonpolarisatsioon. Näited: senjettsool, baariumtitanaat jne
3.4 GAASIDE DIELEKTRILINE LÄBITAVUS
Väga väikese tiheduse tõttu on polariseerumus nõrk ja dielektriline läbitavus e erineb väga vähe ühest. Polarisatsiooniliigid gaasis: lektronpolarisatsioon,ipoolpolarisatsioon
3.5 VEDELIKE DIELEKTRILINE LÄBITAVUS
Vedeldielektrikud on mittepolaarsed ja polaarsed
Mittepolaarsete vedelike dielektriline läbitavus ei ole suur ja võrdub ligikaudselt vedeliku valguse murdumisnäitajale ruudus : e » n2 e väärtus ei ületa tavaliselt 2,5.Praktiliselt puudub dielektrilise läbitavuse sõltuvus sagedusest
Polaarsed vedelikud
Polaarsetes vedelikes on molekulid dipoolsed, s.t nende dipoolmoment on nullist suurem. Neis vedelikes esineb samaaegselt elektron- ja dipoolpolarisatsioon
3.6 TAHKEDIELEKTRIKUTE DIELEKTRILINE LÄBITAVUS
Tahkedielektrikutes võivad esineda kõik polarisatsiooniliigid
Mittepolaarsed tahkedielektrikud
Ioonkristallid - Tiheda pakisega ioonkristallid. Neis esinevad koos elektron- ja ioonpolarisatsioon
Hõreda pakisega ioonkristallid. Neis esineb lisaks elektron- ja ioonpolarisatsioonile ka kadudega ioonpolarisatsioon.Iseloomulikud on dielektrilise läbitavuse e mitte eriti suur väärtus ja positiivne e temperatuuritegur
Struktuurpolarisatsioon
t=0
E1/E2=ε2/ε1 D=ε1E1=ε2E2
t=µ
E1/E2=γ2/γ1 D=γ1E1=γ2E2

DIELEKTRIKUTE ELEKTRIJUHTIVUS
3.7.1. Üldist
Alalispinge rakendamisel läbib esialgu dielektrikut ajas muutuv vool, mis läheneb asümptootiliselt väärtusele ij
S – voolu ristlõikepindala
Nihkevoolu põhjustab polarisatsioon, st seotud laengute piiratud nihkumine dielektrikus: dabs = ¶D/¶t
Elektron- ja ioonpolarisatsiooniga seotud vool on väga lühiajaline ja seda ei suudeta tavaliselt fikseerida. Kadudega polarisatsiooniga seotud vool on kestvam ja seda nimetatakse absorbtsioonivooluks. Juhtivusvoolu põhjustavad dielektrikus olevad vabad laengukandjad (ioonid, molioonid ja väga harva vabad elektronid)
Juhtivusvoolu määramine:
Kui dielektrikus on ainult ühemärgilised laengukandjad, siis
Suurust nimetatakse laengukandjate liikuvuseks. Vastavalt avaldisele on laengukandjate liikuvus vabade laengute suunatud keskmine liikumiskiirus ühikulise tugevusega elektriväljas. Ioonse elektrijuhtivuse korral tekib mõlemal juhul elektroodidel uut ainet – dielektrikus olevate lisandite või selle enese dissotseerumise produkte. Peamiselt molioonse elektrijuhtivuse korral ilmuvad elektroodidele dielektrikus molioonide kujul oleva aine osakesed, nt vedeldielektrikus emulsioonina olev vesi. Juhul, kui dielektrikus erandina esineb elektronjuhtivus, uut ainet elektroodidele ei ilmu
Mahueritakistus
Mahueritakistusena defineeritakse 1 m pikkuse serva-ga kuubi takistust, kui mõõteelektroodid on ühendatud vastastahkudele asetatud elektroodidega
Vastavalt definitsioonile
Mahueritakistuse pöördväärtus on mahuerijuhtivus
Pinnaeritakistus
Pinnaeritakistusena defineeritakse ruudu takistust külje pikkusega 1 m, kui mõõteelektroodid on ühendatud ruudu vastaskülgedele asetatud elektroodidega
Vastavalt definitsioonile
Pinnaeritakistuse pöördväärtus on pinnaerijuhtivus
3.7.2. Gaaside elektrijuhtivus
Laengukandjate kontsentratsioon gaasides on tavaoludes väga väike, sest nad saavad tekkida ainult ionisatsiooni tagajärjel. Nõrgad elektriväljad (ligikaudu kuni 5 -10 kV/cm) ei ioniseeri. Ioniseerivateks allikateks on välised mõjurid: röntgenkiirgus , UV kiirgus, kosmilised kiired ja osakesed, radioaktiivsus jms. Nende mõjul tekkivat elektrijuhtivust nimetatakse vahendatud e sõltuvaks elektrijuhtivuseks. Õhus võib laengukandjate kontsentratsioon olla suurusjärgus 300 – 500 ioonipaari/cm3. Sõltuva elektrijuhtivuse piirkonnas sõltub voolutugevus rakendatud pingest
Pingevahemikus Uk kuni Ukr viiakse kõik välisionisaatorite mõjul tekkinud vabad laengukandjad elektroodidele ja vool ei saa kasvada. Pingel Ukr algab gaasis põrkeionisatsioon ja vool kasvab läbilöögini. Nõrkades elektriväljades on gaas praktiliselt ideaalne dielektrik
3.7.3. Vedeldielektrikute elektrijuhtivus
Vedeldielektrikute elektrijuhtivus seostub otseselt molekulide ehitusega. Laengukandjateks on vedelikes ioonid ja molioonid. Mittepolaarse vedeliku molekulid tavaliselt ei dissotseeru ja elektrijuhtivuse määravad lisandid (nt vesi), mis dissotseeruvad positiivseteks ja negatiivseteks ioonideks. Polaarsete vedelike elektrijuhtivuses osalevad lisandid, kui ka vedeliku oma dissotseerunud molekulid. Lisandite dissotseerumine on intensiivsem vedeliku polaarsuse kasvul. Eriti polaarsed vedelikud juhivad voolu nii hästi, et nad kuuluvad ioonjuhtivusega pooljuhtide või isegi elektrijuhtide hulka. Vedelike elektrijuhtivus sõltub tugevalt temperatuurist. Peamisi põhjusi on kaks: Temperatuuri tõusul väheneb vedeliku viskoossus, Temperatuuri tõusul suureneb vabade laengukandjate arv. Kui iooni vedelikus vaadelda viskoosses keskkonnas liikuva kerana, saab kirjutada
kus h on vedeliku dünaamiline viskoossus ja r on iooni raadius. Kui laengukandjate kontsentratsioon ei sõltu temperatuurist (dissotsatsiooniaste ei muutu). Vool läbi vedeldielektriku sõltub pingest lineaarselt ainult teatud piirini Ekr
3.7.4. Tahkedielektrikute elektrijuhtivus
Tahkedielektrikute elektrijuhtivus on tingitud dielektriku enese struktuurist vabanenud ioonidest ja lisandite ioonidest. Harva võivad juhtivust tekitada ka vabad elektronid. Ioonjuhtivust tõendab uue aine ilmumine elektroodidele. Ioonse ehitusega dielektrikutes vabanevad ioonid aine struktuurist peamiselt soojusvõnkumiste tagajärjel. Madalamatel temperatuuridel vabanevad nõrgemalt seotud ioonid, nt lisandite ioonid. Atomaarsetes ja molekulaarsetes dielektrikutes osalevad elektrijuhtivuses ainult lisandite ioonid. Määravaks on laengukandjate aktivatsioonienergia. Madalamatel temperatuuridel ületab lisandite juhtivus tunduvalt omajuhtivust.
3.8 DIELEKTRIKUSKAOD
3.8.1. Üldmõisted
Kadusid dielektrikus põhjustavad: elektrijuhtivus, polarisatsioon, ebaühtlane struktuur, osalahendused. Juhtivuskadude suurus sõltub temperatuurist ja vähemal määral sagedusest. Kaovõimsus temperatuuril T leitakse valemist, kus Pdt on kaod temperatuuril t (Celsiuse kraadides) ja a on materjali konstant
Polarisatsioonikaod on eriti märgatavad dipoolse ja kadudega ioonpolarisatsiooni korral vahelduvpingel. Vahelduvpingel on kaod hästi jälgitavad dielektrikuga kondensaatori plaatidel laengu ja pinge sõltuvuse abil
Kaod ebaühtlasest struktuurist esinevad kihilistes immutatud ja ka poorses dielektrikutes ning täiteainetega plastmassides. Ühtne arvutusvalem puudub.
Osalahenduskaod Esinevad gaasisolatsioonis ( koroona ), tahkedielektrikute pinnal (pindlahendused) ja ebaühtlase struktuuriga tahkedielektrikute poorides (sisemised osalahendused). Võivad esineda ka vedeldielektrikutes tugevalt ebaühtlase elektrivälja kontsentratsiooni piirkondades. Alalispingel on osalahendused tavaliselt nõrgad, kuid vahelduvpingel võib osalahenduskadu olla sõltuvalt sagedusest eriti tuntav. Sisemiste osalahenduste tekkemehhanism
E2 >E1´ja ε2 E > E1. Gaasimullide tegelikke mõõtmeid arvestades on veel E » E1.Gaas on tavaliselt elektriliselt nõrgem dielektrik ja selles tekib kohalik läbilöök – osalahendus
Rööpaseskeem Jadaaseskeem
3.8.2. Dielektrikuskaod gaasides
Gaasides on polarisatsioonikaod tühised ja seetõttu nõrkades elektriväljades (allpool ionisatsiooni algust) esinevad peaasjalikult juhtivuskaod
3.9.3. Vedeldielektrikute läbilöök
Vedelike läbilöögi mehhanism sõltub suuresti lisandite kontsentratsioonist selles
Eristatakse sillakeste, puhta elektrilise läbilöögi ja soojusliku läbilöögi teooriaid
sillakesed moodustuvad juhtivatest või suure dielektrilise läbitavusega osakestest – eeldab lisandite olemasolu. Toimub elektronide väljarebimine katoodist ja põrkeionisatsioon ( analoogia gaaside läbilöögiga!) – eeldab äärmiselt puhtaid vedelikke. Lisandid kuumenevad ja aurustuvad tugevas elektriväljas, läbilöök toimub juba gaasilises keskkonnas – eeldab gaasimullide või kergelt aurustuvate lisandite olemasolu tilkade kujul
Läbilöögipinge sõltub mitmetest teguritest
Pinge liik ja kuju: alalispinge, vahelduvpinge ja selle sagedus, impulsspinge, impulsspinge frondi tõusukiirus jms.Elektroodide kuju ja pindala. Oluliselt võib mõjutada läbilöögipinget vedeliku temperatuur. Mustunud ja niiskunud vedeliku läbilöögipinge temperatuuri tõusul kasvab, sest suureneb niiskuse lahustuvus nt isoleerõlis
3.9.4. Tahkedielektrikute läbilöök
Makroskoopiliselt ühtlase struktuuriga dielektrikute elektriline läbilöök
Makroskoopiliselt ühtlaseks võib lugeda sellist dielektrikut, milles ei ole eritatavaid tühemikke ja muid ebaühtlusi. Teatud tinglikkusega võib siia hulka lugeda ka kihilisi immutatud dielektrikuid , kui elektriväli on suunatud kihtidega risti. Läbilöögi toimumisaeg väga lühike, ca 10-7 – 10-8 s. Läbilöök ei ole seotud soojuse eraldumisega dielektrikus.
Läbilöök on seotud elektronlaviinide tekkega – elektronid suurendavad põrgetel kristallvõrega selle elastseid võnkumisi kuni sidemete purunemisen. Läbilööki mõjutab väga tugevalt elektrivälja kuju. Ühtlases elektriväljas elektrivälja lühiajalisel rakendamisel leitavat läbilöögi elektriväljatugevust võib lugeda aine elektriliseks tugevuseks El [MV/m]
Makroskoopiliselt ebaühtlase struktuuriga dielektrikute elektriline läbilöök
See läbilöök esineb nn tehnilistes dielektrikutes, mis sisaldavad gaasitühemikke või muid väga madala elektrilise tugevusega materjali osakesi. Läbilöögi elektriväljatugevuse erinevus ühtlases ja eba-ühtlases väljas on väike nõrkade kohtade kokkulangevuse tõttu ühtlase väljaga, s.o suuremate elektroodidega katsekehas. Elektriline tugevus sõltub elektroodide pindalast – selle suurenemisel väheneb
Soojuslik läbilöök
Soojuslik läbilöök tekib siis, kui kadude tõttu dielektrikus eralduv soojushulk ületab ümbrusesse äraantava soojushulga. Tasakaalu puudumise tõttu dielektrik hakkab piiramatult kuumenema ja laguneb. Soojuslik läbilöök on seotud dielektriku omadustega, kuid lisaks ka sellest valmistatud toote omadustega. Madalamal temperatuuril lagunevate (sulavate, kihistuvate, söestuvate) dielektrikute soojusliku läbilöögi pinge on madalam. Soojusliku läbilöögi pinget võib lihtsustatult arvutada eeldusel, et dielektrik on lihtsa risttahuka kujuga, millele tasapinnalised elektroodid on paigutatud tahuka vastastahkudele
Lihtne dielektriku mudel soojusliku läbilöögi arvutamiseks
Dielektrik on homogeenne ja soojuseraldus on selle igas punktis ühesuurune. Dielektriline läbitavus on e, kaonurga tangens ümbruse temperatuuril t0 on tan d0. Eeldame, et kaod on peamiselt tingitud elektrijuhtivusest.
Elektrokeemiline läbilöök
See läbilöök tekib siis, kui materjali takistus oluliselt ja pöördumatult väheneb näiteks kõrge temperatuuri ja ümbruse suure niiskuse tõttu. Sellistes oludes toimub orgaanilistes dielektrikutes tavaliselt elektrokeemiline vananemine. Elektrokeemilise läbilöögi hulka loetakse mõnikord ka osalahendustest tingitud läbilööke, kuna need tavaliselt nõrgad lahendused võivad põhjustada materjali erosiooni või ka uute keemiliselt aktiivsete ainete teket dielektrikus. Elektrokeemiline läbilöök vajab tekkimiseks tavaliselt pikemat aega.