Kryteria zaliczania materiałów do dielektryków

• przewodność rośnie wraz z temperaturą, w przeciwieństwie do metalu, w których przewodność maleje ze wzrostem temperatury

• duża rezystywność - większa niż 10⁶Ωm

• szerokość pasma zabronionego E_g ≥ 2eV

• zdolność do gromadzenia ładunków elektrycznych.

Współczynniki materiałowe dielektryków

• przenikalność elektryczna względna - zdolność do gromadzenia energii elektrycznej i polaryzacji

$${\varepsilon_{r}' = \frac{\varepsilon'}{\varepsilon_{0}},\ \ \backslash n}{\text{gdzie}\ \varepsilon_{0} = 8,85 10^{- 12}\ \frac{F}{m}\ \text{przenikalno}sc\ \text{elektryczna}\ \text{pr}oz\text{ni}}$$

• temperaturowy współczynnik przenikalności

$$\text{TWε} = \frac{1}{\varepsilon'}*\frac{\partial\varepsilon'}{\partial T}$$

• współczynnik stratności tanδ- charakteryzuje zdolność osrodka do rozpraszania energii zmiennego pola elektrycznego we wnętrzu ośrodka od polaryzacji i prądów wpływu

• rezystywność skośna ρ_v - opisuje stało-prądowe przewodnictwo elektryczne we wnętrzu ośrodka (efekt zanieczyszczeń, defektów struktury krystalicznej)

• rezystywność powierzchniowa ρ_s - stałoprądowe przewodnictwo elektryczne w warstwie powierzchniowej ośrodka

• wytrzymałość dielektryczna $K_{m}\left\lbrack \frac{V}{\text{cm}} \right\rbrack$ - odporność na przebicie

• zespolona przenikalność elektryczna

ε = ε′−iε″

gdzie :  ε^″ = ε′*tgδ

• zastępcza konduktywność

δ_z = ε^′ * tgδ

Mechanizmy polaryzacji

polaryzacja elektronowa p_e

• przesuwanie się środków ciężkości powłok elektronowych pod wpływem pola elektrycznego; bezinercyjna,

• niskie straty,

• czas relaksacji 10-15s,

• słaba zależność od temperatury,

• występuje we wszystkich materiałach do pasma optycznego zakresie nadfioletu.

polaryzacja jonowa p_i

• przesuwanie się jonów pod wpływem pola elektrycznego;

• małe straty,

• czas relaksacji 10-13s

• niewielka zależność od temperatury

• występuje w materiałach o budowie jonowej (szkła, ceramika I rodzaju)

• do zakresu podczerwieni

polaryzacja dipolowa (orientacyjna) p_d

• obracanie się i orientacja istniejących w materiale trwałych dipoli elektrycznych pod wpływem pola elektrycznego

• znaczne straty

• czas relaksacji 10-8 s

• silna zależność od temperatury

• występuje w dielektrykach biegunowych lub paraelektrykach (poliestry, poliwęglany, polichlorek winylu, polimetakrylan metylu)

• w zakresie do częstotliwości radiowych

polaryzacja spontaniczna (samorzutna)

• pociąga za sobą tworzenie sie domen (obszarów, wewnątrz których momenty dipolowe cząsteczek są zorientowane w tym samym kierunku)

• duże straty

• nieliniowość

• duży czas relaksacji 10-6 s

• silna zależność od temperatury

• występowanie w materiałach ferroelektrycznych (radioceramika II rodzaju),piezoelektrycznych, elektretach, piroelektrykach

polaryzacja przestrzenna (makroskopowa)

• przemieszczanie sie niezwiązanych ładunków elektrycznych w dielektryku

• charakteryzuje sie bardzo dużymi stratami

• bardzo duży czas relaksacji

• występuje w materiałach niejednorodnych, np. ceramice polikrystalicznej

Dielektryki specjalne

• Piezoelektryki
  Powstaje pole elektryczne w materiale pod wpływem naprężeń mechanicznych. Siec krystaliczna zostaje naprężona i węzły sieci ulegają przesunięciu. Część energii zostaje zmagazynowana w postaci energii elektrycznej.
  Przykład: kwarc, topaz, turmalin, blenda cynkowa, tytanian baru

• Piroelektryki
  Ładunki elektryczne powstają poprzez ogrzewanie lub ochłodzenie powierzchni kryształu. Jedna powierzchnia kryształu podczas ogrzewania zyskuje ładunek dodatni, a podczas ochłodzenia ujemny, a druga powierzchnia odwrotnie. Wielkość ładunku zależy od szybkości zmiany temperatury.
  - zjawisko piroelektryczne wtórne - dodatkowa polaryzacja od deformacji materiału
  - zjawisko piroelektryczne pierwotne - brak deformacji w krysztale
  Przykład: turmalin
  Zastosowania : noktowizja, detekcja promieniowania czerwonego, czujniki ruchu

• Ferroelektryki
  Materiały o polaryzacji spontanicznej, strukturze domenowej. Domeny są rozrzucone przypadkowo rozrzucone, tak że cały materiał nie wykazuje polaryzacji. W polu elektrycznym materiał wykazuje polaryzację różną od zera. Przebieg wypadkowego wektora polaryzacji w materiale od natężenia pola elektrycznego ma postać pętli histerezy. Pętla histerezy wynika z przebiegu zmian położenia elektrycznych dipoli w domenach materiału pod wpływem pola elektrycznego.
  Przenikalność elektryczna ferroelektryków zależy od natężenia pola elektrycznego i temperatury. Ponadto przenikalność jest funkcją czasu (zjawisko starzenia). Największe zmiany przenikalności występują przy temperaturze Curie (ok.130°C, zanik polaryzacji spontanicznej), oraz w temperaturze bliskiej 0°C i -90°C (zmiana struktury sieci). Stosowane dodatki do BaTiO₃:

Dodatki Pb, Sr, Cd, Ca, Sn, Zr, Hf są stosowne do modyfikacji zależności przenikalności elektrycznej BaTiO₃ od temperatury.

Dodatki materiałów SrTiO₃ oraz CaZrO₃ przesuwają pik Curie w kierunku temperatury pokojowej.

Dodatki materiałów MgZrO₃ i Bi₂Sn₃O₉ powodują zmniejszenie wysokości piku przenikalności BaTiO₃ przy temperaturze Curie i bardziej wyrównany jej przebieg w funkcji temperatury.
Na własności elektryczne ma wpływ nieferroelektryczna faza na granicy ziaren ferroelektrycznych w materiale. Dodatki obniżające temperaturę wypieku ceramiki, dodatki regulujące rezystancję izolacji lub wytrzymałość elektryczną.

• Elektrety

Zachowują przez długi czas stan naelektryzowania i wytwarzają pole elektryczne w otaczającej przestrzeni.

wosk, parafina, naftalen, cerezyna, ebonit, nylon, siarka, selen, tytaniany metali alkalicznych, stearyt, szkło borowe

Dielektryki nieorganiczne

• duża odporność cieplna

• stabilność w czasie

• odporność na warunki klimatyczne i na oddziaływania chemiczne

• Mika - na izolacje przepustowe, elementy konstrukcyjne aparatury próżniowej, wsporniki i cokoły, obecnie rzadko jako dielektryk kondensatorowy, mała stratność, stałe parametry elektryczne w funkcji częstotliwości, temperatury i czasu, odporna chemicznie i mechaniczne

• Szkło - jako dielektryk kondensatorowy, na izolatory, bańki lamp, podłoża, elementy próżnioszczelne oraz światłowody, kruche, duża rezystywność skrośna, odporne chemicznie

• Ceramika - na kondensatory (liniowe i nieliniowe), izolatory, elementy konstrukcyjne, podłoża układów scalonych, rezystorów rezystywności skrośne 109 Ωm - 1014 Ωm m , rezystywności powierzchniowe od 1010 Ω do 1012 Ω zależą od struktury powierzchni oraz wilgotności otoczenia, wytrzymałość elektryczna ograniczona 10 - 30 kV/m, ceramiki odporne cieplnie i chemicznie

Dielektryki organiczne

• obejmują materiały termoplastyczne oraz termoutwardzalne (kompozycje sztucznej żywicy, wypełniaczy, plastyfikatorów, barwników)

• Polietylen - kształtki, izolacje przewodów (mikrofale i wysokie napięcia), duża rezystywność skrośna, wytrzymałość elektryczna, znikome straty (do 10 GHz), odporny na łuk elektryczny, wilgoć i oddziaływania chemiczne, elastyczny w niskich temperaturach

• Polistyren - elementy konstrukcyjne, obudowy, folie kondensatorów styrofleksowych, właściwości elektryczne podobne do polietylenu, większa twardość, kruchość i sztywność, rozpuszcza się w silnych kwasach i utlenia się pod wpływem światła słonecznego (konieczne dodatki przeciwutleniaczy),niska stratność

• Polipropylen - folie kondensatorowe, elementy konstrukcyjne, izolacje, podobne właściwości elektryczne i mechaniczne do polietylenu ale lepsze właściwości cieplne (temp. pracy do 150°C), większa odporność chemiczna, mniejsze wartości TWε

• Teflon - wysoka rezystywność skrośna 1013 Ωm do 1017 Ωm, niska stratność tgδ 10-4,stała przenikalność ε = 2 do 10 GHz w szerokim zakresie temperatur (od -250°C do +200°C), odporny na działanie zasad i kwasów, wilgoci, niekorzystna rozszerzalność cieplna i pełzanie pod obciążeniem, kondensatory przepustowe, podłoża

• Poliwęglan - niewrażliwe na działanie wilgoci i światła, mało odporne chemicznie, duża twardość, sztywność i wysoka udarność. Na elementy konstrukcyjne i folie kondensatorowe

• Poliester - przenikalność elektryczna słabo zależy od temperatury (do 90°C), wysoka wytrzymałość elektryczna, straty szybko rosną z częstotliwością, duża rezystywność skrośna, stabilne parametry w czasie, odporny chemicznie, wytrzymały na rozciąganie. Na taśmy magnetofonowe, folie kondensatorowe

• Polimetakrylan metylu - dość wytrzymały mechanicznie, wytrzymały mechanicznie, odporny chemicznie, jako materiał konstrukcyjny

• Polichlorek winylu - odporny chemicznie, na zewnętrzne izolacje

Klasyfikacja kondensatorów

regulowane

stałe:

• z dielektrykiem organicznym: polimerowe, papierowe, teflonowe

• z dielektrykiem gazowym: powietrzne, gazowe, próżniowe

• z dielektrykiem nieorganicznym: ceramiczne, szklane, mikowe

• z dielektrykiem tlenkowym: aluminiowe, tantalowe

Schemat zastępczy kondensatora

C_n - pojemność znamionowa $X = \frac{1}{\text{jωC}}$
R_d - rezystancja szeregowa

R_i - rezystancja izolacji

L_d-indukcyjność szeregowa X = jωL_d

Podstawowe parametry kondensatorów

• Pojemność znamionowa

$$\frac{\Delta C}{C_{n}}*100\%$$

$$\tan{\delta = \frac{R_{i} + R_{s}(1 + \varpi^{2}{C_{n}}^{2}{R_{i}}^{2})}{\varpi C_{n}{R_{i}}^{2} - \varpi L_{s}(1 + \varpi^{2}{C_{n}}^{2}{R_{i}}^{2})}}$$

• Impedancja Z - suma rezystancji, reaktancji pojemnościowej i reaktancji indukcyjnej, poniżej częstotliwości rezonansu własnego ma charakter pojemnościowy, dla częstotliwości rezonansu własnego- rzeczywisty, powyżej- charakter indukcyjny

• Napięcie znamionowe - najwyższe napięcie, które może być przyłożone do kondensatora bez jego uszkodzenia

• Napięcie próby – określa wytrzymałość elektryczną izolacji kondensatora - bez przebicia i iskry
  Napięcie przebicia

• Prąd upływowy - prąd przewodzenia jaki płynie przez kondensator po przyłożeniu do końcówek napięcia stałego.

• Zakres częstotliwości pracy

• Szumy
  cieplne- związane z rezystancjami strat
  nadmiarowe- procesy samoregeneracji kondensatorów metalizowanych, migotanie wartości pojemności przy krawędziach elektrod naparowanych na powierzchni dielektryka, generacja przypadkowych impulsów wskutek skokowych ruchów ścian domenowych w ferroelektryku

• Współczynniki opisujące zmiany pojemności w funkcji temperatury
  dla kondensatorów liniowych: $\text{TWC} = \frac{1}{C_{25}}*\ \frac{\text{dC}}{\text{dT}}\ \lbrack 10^{- 6}\frac{1}{}\rbrack$
  dla kondensatorów nieliniowych: $\frac{C}{C} = \frac{C_{th} - C_{25}}{C_{25}}$
  gdzie: C₂₅- pojemność kondensatora w temperaturze pokojowej, C_th- pojemność kondensatora dla danej temperatury

• Kategoria klimatyczna- dolna i górna temperatura, czas próby wilgotnego gorąca stałego

Budowa, zalety, wady i zastosowania kondensatorów z podstawowych grup

Typ	Podział	Budowa	Zalety i wady	Zastosowania
Polimerowe	Polistyrenowe Poliestrowe Poliwęglanowe Polipropylenowe	Klasycznie były to dwie wstęgi folii aluminiowe przedzielone dielektrykiem. Kondensatory metalizowane - okładziny stanowi cieniutka warstwa metalu(aluminium) naniesiona próżniowo na jedną lub obie strony folii z tworzywa. Jako dielektryk stosuje się folię wykonaną z różnych materiałów i od tego materiału zależą właściwości produkowanych kondensatorów.	-poprawna praca przy dużym prądzie -duża wytrzymałość napięciowa -relatywnie duża pojemność	-stosuje je się przy średnich częstotliwościach (1Hz-10MHz) -telekom. Filtry LC(polistyrenowe) -obwody odchylania odbiorników telewizyjnych (polipropylenowe) -sieciowe zasilacze impulsowe (polipropylenowe) -powszechne zastosowania w obwodach RC generatorów i filtrów. -niektóre typy wykorzystuje się w obwodach impulsowych.
Ceramiczne	Typ 1	Produkowany jest z użyciem dielektryka o przenikalności względnej w granicach 10...600. produkowane ze ściśle określonym współczynnikiem temperaturowym Mają znaczną pojemność przy niewielkich rozmiarach.	- łatwa kompensacja temperaturowa obwodów rezonansowych -małe straty - nie nadają się do precyzyjnych obwodów rezonansowych -niska cena	-w obwodach wielkiej częstotliwości, zarówno jako elementy obwodów rezonansowych, jak i do sprzęgania, blokowania oraz filtrowania.
	Typ 2 (ferroelektryczne)	Duża zależność pojemności od częstotliwości. Właściwościami podobne do ferroelektrycznych, tyle że mają jeszcze mniejsze gabaryty.
	Typ 3 (półprzewodnikowe)	Zmniejszenie gabarytów uzyskana dzięki specjalnej budowie opartej na porowatym spieku, podobnym do tego w kondensatorach elektrolitycznych tantalowych.
Elektrolityczne:	Aluminiowe Tantalowe	Elektrody wykonane ze zwiniętych taśm aluminiowych. Właściwie to tylko anoda jest wykonana z aluminiowej taśmy. Druga taśma jest tylko doprowadzeniem do właściwej elektrody jaką jest elektrolit. Elektrolitem tym jest nasączony papier, który poza funkcją przechowywania elektrolitu również rozdziela warstwy taśmy aluminiowej. Anoda jest pokryta warstwą tlenku glinu o grubości mniejszej od 1um. Tlenek ten jest dielektrykiem w kondensatorach elektrolitycznych. Warstwa tlenku powstaje w procesie elektrochemicznym, polegającym na podłączeniu do kondensatora w trakcie produkcji źródła napięcia stałego. Anoda wykonana ze spiekanego proszku tantalowego, który ma strukturę porowatą, podobną do gąbki. Metodami elektrochemicznymi wytwarza się na powierzchni izolacyjną warstewkę pięciotlenku tantalu, która ma bardzo dobre właściwości dielektryczne. Porowatą anodę wypełnia się elektrolitem - w popularnych "perełkach" (kondensator suchy) jest to dwutlenek manganu. Mniej popularne są kondensatory z elektrolitem żelowym (ciekłym), o znacznie lepszych parametrach. Pięciotlenek tantalu jest bardzo odporny na uszkodzenia.	- duża pojemność - małe rozmiary - mała rezystancja szeregowa - mała indukcyjność szeregowa - poprawne działanie tylko dla małych częstotliwości, - poprawne działanie tylko przy odpowiednim spolaryzowaniu.	- w obwodach zasilania jako kondensatory filtrujące i gromadzące energię. - jako kondensatory sprzęgające i blokujące w urządzeniach m.cz., pracujących z częstotliwościami do mniej więcej 100kHz

Zależność temperatury od rezystywności
Dla metali gdy temperatura rośnie, rezystywność rośnie, dla dielektryków i półprzewodników gdy temperatura rośnie, rezystywność maleje.

Właściwości materiałów rezystywnych

$$j = \text{δE}\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\delta = \frac{1}{\rho}$$

$$\text{TWρ} = \frac{1}{\rho_{0}}\frac{\text{dρ}}{\text{dT}}$$

• Wpływ pola magnetycznego -> zjawisko magneto rezystancyjne (magnetorezystory)
  prąd elektryczny w materiale -> odchylenie wypadkowego kierunku ruchu nośników od kierunku przyłożonego pola elektrycznego -> zmiana rezystywności materiału; zjawisko najsilniejsze w półprzewodnikach ze względu na dużą ruchliwość nośników ładunku;

• Wpływ naprężeń mechanicznych -> zjawisko piezorezystancyjne– (piezorezystory)
  zmiany rezystywności pod wpływem naprężeń;
  zjawisko najsilniejsze w półprzewodnikach;

• Wpływ promieniowania świetlnego -> zjawisko fotoelektryczne – (fotorezystory)
  dodatkowe przewodnictwo w materiałach półprzewodnikowych pod wpływem promieniowania świetlnego (wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne);
  zmiany koncentracji nośników ładunku wewnątrz materiału;
  przejście elektronów pomiędzy pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa (półprzewodniki
  samoistne);
  przejście między poziomem domieszkowym i pasmem przewodnictwa /walencyjnym

Rezystancja a rezystywność

• Rezystywność- opór właściwy, cecha określająca opór próbki o długości 1m i przekroju poprzecznym 1m² ρ = [Ω*m]

• Rezystancja - opór z jakim materiał przeciwstawia się przepływowi prądu
  R = [Ω] $R = \ \frac{1}{\rho}*\frac{l}{s}$

Efekt naskórkowości

Polega na wypieraniu prądu ku powierzchni przewodnika. Przekłada się to na nierównomierny rozkład gęstości prądu zmiennego.
$\delta = \sqrt{\frac{2\rho}{\mu_{0}\mu_{r}}}$ ρ− rezystywność
μ₀- przenikalność magnetyczna próżni μ_r- względna przenikalność magnetyczna materiału
δ=503.3$\sqrt{\frac{\rho}{f\mu_{0}}}$ f- częstotliwość

Kryteria doboru (wymagania) materiałów na przewody, rezystory liniowe i nieliniowe
oraz termopary.

Przewody:

• wysoka konduktywność

• wytrzymałość na rozciąganie

• wysoka temperatura topnienia

• łatwa spawalność, lut owalność

• wysoka przewodność cieplna

• odporne na korozje

• niski koszt

Rezystory liniowe:

• duża rezystywność

• małe i stałe TWρ

• niski SEM w kontakcie z miedzią

• odporność na wysokie temperatury

• odporne na czynniki klimatyczne/ mechaniczne

Rezystory nieliniowe:

• duża rezystywność

• zmienne TWρ

• rezystywność zmienna od natężenia prądu

Termopary:

• mała rezystywność

• niezmienność parametru w czasie

• odporność na czynniki zewnętrzne

• wysokie temperatury pracy ciągłej

Warystory

• zabezpieczanie urządzeń przed przepięciami,

• ochronniki przepięciowe i wysokonapięciowe (w telewizorach)

• ochrona linii wysokiego napięcia

• w liniach telefonicznych do zabezpieczania telefonów, modemów i innych urządzeń podłączonych do linii telefonicznej

• odgromniki

• zabezpieczenie transformatorów

Termistory

Oporniki półprzewodnikowe, których rezystancja zależy od temperatury. Wykonuje się je z tlenków: manganu, niklu, kobaltu, miedzi, glinu, wanadu, krzemu, bizmutu, tytanu, baru i litu.

• NTC – o ujemnym współczynniku temperaturowym – wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji;

• PTC –o dodatnim współczynniku temperaturowym- wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji;

• CTR – o skokowej zmianie rezystancji– wzrost temperatury powyżej określonej powoduje gwałtowną zmianę wzrost/spadek rezystancji. W termistorach polimerowych następuje szybki wzrost rezystancji (bezpieczniki polimerowe), a w ceramicznych zawierających związki baru, spadek.

Termorezystory

Są bardzo powszechnie stosowanymi czujnikami temperatury. Wykorzystują one zjawisko zmian rezystancji jednorodnego przewodnika pod wpływem temperatury. Charakterystyki termorezystorów podawane są zwykle w postaci tabelarycznej lub poprzez podanie zależności R(T), zwykle w postaci wielomianu stopnia trzeciego lub czwartego.
Najczęściej spotykanym typem termorezystora pomiarowego jest termorezystor platynowy Pt100, zwany też czujnikiem Pt100.Oprócz niego są stosowane inne termorezystory: niklowe Ni100 i miedziane Cu. Liczba podana po oznaczeniu materiału podaje rezystancję elementu przy temperaturze 0°C (rezystancję nominalną).

Magnetorezystory

Element półprzewodnikowy o rezystancji zależnej od pola magnetycznego, przy czym rezystancja zwiększa się wraz ze wzrostem indukcji pola magnetycznego, a przebieg jej zmian zależy zarówno od wielkości pola, jak i od kształtu elementu. Magnetorezystory stosowane są głównie do pomiaru pól magnetycznych w szerokim zakresie zmian indukcji magnetycznej, a także w urządzeniach automatyki przemiennej, modulatorach, watomierzach prądu zmiennego. Znalazły także zastosowanie do pomiarów przesunięcia liniowego i kątowego.

Fotorezystory

Element światłoczuły. Jego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego promieniowania i nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora. Ze względu na dużą czułość i prosty układ pomiarowy, fotorezystory wykorzystuje się do: pomiaru temperatury poprzez pomiar natężenia promieniowania, ostrzegania w systemach przeciwpożarowych, wykrywania zanieczyszczeń rzek i zbiorników wodnych, detekcji strat ciepła przez izolację termiczną budynków.

Piezorezystory

Element, którego rezystancja zależy od siły nacisku, jaki wywierany jest w osi poprzecznej elementu. Często zastępuje, w przypadku niewielkich odkształceń, klasyczny tensometr wykonany ze stopu oporowego. Czułość piezorezystora jest bardzo duża. Piezorezystory stosuje się jako czujniki w pomiarach sił oraz naprężeń statycznych i dynamicznych.

Termopara

Termopara - czujnik temperatury. Składa się z dwóch metali. Jedno złącze znajduje się w stałej, znanej temperaturze T₁ a drugie zlacze w T₂. Powstaje napiecie na podstawie którego można wyznaczyć szukaną temperaturę.

Zalety: nie wymaga zasilania, szybka reakcja, prosta budowa, szeroki zakres pomiarowy,

Wady: nietrwałość złącza pomiarowego