INTRODUCERE

Dielectricii ii folosim in doua scopuri: -pentru izolatia electrica -pentru obtinerea condensatoarelor cu capacitati extrem de mari.

Teoretic, izolantii electrici sunt corpuri care prezinta rezistivitate infinita si permitivitate mare, care nu sunt influentate de temperatura, de starea mediului sau de campul electric in care sunt.

In realitate, izolantii reali) au o rezistivitate extrem de mare, dar nu infinita, permitivitate si proprietati care variaza in functie de: temperatura, mediul si variatia in timp a campului electric si structura lor fizico - chimica.

In concluzie materialul dielectric: este acel material, izolant, din punct de vedere electric si care se polarizeaza temporar cand este introdus intr-un camp electric, prezinta stari de polarizatie.

MEMORIU TEHNIC

Termenul dipol electric este in principal utilizat pentru atomi sau grupuri de atomi care se caracterizeaza printr-o sarcina electrica pozitiva si una negativa, separate printr-o anumita distanta. Dipolii pot fi permanenti indusi

Cand dipolii sunt aliniati, se spune ca materialul este polarizat. ◦Polarizarea electronica, ionica, de orientare, si piezoelectrica sunt principalele mecanisme de polarizare a unui material dielectric.

Tipuri de polarizare si tipuri de pierderi in dielectrici

Un material este polarizat electric daca, fara a avea densitate de sarcina electrica, produce un camp electric si este supus unor actiuni cand este introdus in camp electric exterior. Starea de polarizatie electrica poate fi temporara, cand depinde de intensitatea locala a campului si permanenta, cand nu depinde de intensitatea locala a campului .

fenomene de polarizare temporara: starea de polarizare a materialului dielectric se mentine numai pe durata aplicarii sursei de polarizare (campul electric).

fenomene de polarizare permanenta: o data instalata, starea de polarizare a materialului dielectric se mentine indiferent daca materialul se afla sau nu in camp electric.

◦Polarizarea temporara - Modurile polarizarii temporare pot fi: polarizare de deplasare (electronica, ionica), polarizare de orientare (dipolara, electronica, ionica), polarizare rezonanta, polarizare structurala. Aceste moduri de polarizare difera de la un grup de material la altul.

◦Polarizarea temporara a dielectricilor:(a) polarizare de deplasare ionica;(b) polarizare de deplasare ionica;(c) polarizare de orientare dipolara.

1

Polarizarea electronica reprezinta deplasarea limitata, elastica, sub actiunea campului electric a invelisurilor electronice a atomilor si ionilor. Timpul de stabilire a polarizarii electronice este de aproximativ 10^-15s .

Acest mod de polarizare se observa la toate tipurile de dielectrici, indiferent de starea de agregare.

Polarizarea ionica se datoreaza deplasarii ionilor legati elastic specifica corpurilor solide cu structura ionica. Timpul de stabilire este de ordinul 10^-13s.

Polarizarea ionica este o caracteristica a cristalelor ionice, un exemplu tipic fiind sarea de bucatarie NaCl,fenomenul fiind explicat in desenul urmator.

In figura de mai sus se prezinta 3 ioni succesivi NaCl, in cazul in care nu se aplica un camp electric.

Dupa aplicarea campului electric, fenomenul se instaleaza rapid,dureaza cat timp este mentinut campulToate materialele polarizate ionic prezinta si fenomenul de polarizare electronica, dar de intensitate de minim 2 ori mai mica.

Polarizarea dipolara de orientare (relaxare) specifica substantelor cu molecule polare care in absenta campului sunt orientate haotic, iar in prezenta campului electric se orienteaza partial. Moleculele polare, sunt caracteristice anumitor gaze si lichide.

Polarizarea ionica de orientare (relaxare) prezenta la unele substante solide cu legaturi ionice slabe si consta in deplasari suplimentare in directia campului a ionilor in timpul miscarii termice haotice.

Polarizare electronica: sarcinile electrice care se deplaseaza sunt electronii.Polarizare ionica: sarcinile electrice care se deplaseaza sunt ionii.

◦Polarizarea electronica se explica prin modificarea, in prezenta campului electric, a traiectoriei de deplasare a electronilor in jurul nucleului unui atom.

2

Fenomenul este prezentatat in cazul unui atom izolat de hidrogen. Acest atom are un electron care, in absenta campului electric, se deplaseaza pe o traiectorie sferica.

Cand atomul de hidrogen este introdus intr-un camp electric E, traiectoria de deplasare a electronului sufera o modificare, noua traiectorie fiind elipsoidala si orientata in sens invers campului electric. Momentul electric elementar se genereaza instantaneu cu aplicarea campului, polarizarea electronica fiind un fenomen rapid.Materialele care prezinta acest fenomen se mai numesc materiale nepolare.

Polarizarea rezonanta se constata in dielectrici pentru radiatii cu frecvente de ordinul radiatiilor luminoase si este legata de frecventa proprie de rezonanta a electronilor sau ionilor substantei.

Polarizarea structurala apare in corpurile solide cu structura macroscopic neomogena ,consta in deplasarea sarcinilor electrice ,ce echivaleaza unei polarizari a materialului.

Polarizarea permanenta -Se datoreaza actiunilor mecanice (polarizare piezoelectrica), efectelor termice (polarizare piroelectrica), unor tratamente termice in camp electric (efect de electret) sau poate fi spontana. ◦Polarizarea spontana se caracterizeaza prin existenta unor domenii de polarizare spontana in interiorul carora dipolii electrici sunt orientati paralel.

Polarizarea permanenta a dielectricilor: (a) polarizare spontana; (b) polarizare piezoelectrica; (c) polarizare de tip electret

◦Fenomenul piezoelectric

Acest fenomen caracterizeaza proprietatea materialelor dielectrice de a-si modifica starea de polarizare sub actiunea unei forte mecanice – fenomen care se numeste efect piezoelectric direct, respectiv de a se deforma sub actiunea unui camp electric exterior –efect piezoelectric invers.

◦Fenomenul piezolelectric direct, specific materialelor dielectrice care in structura lor nu au centru de simetrie. La aplicarea unei forte externe, centrul sarcinii electrice pozitive devine diferit de centrul sarcinii electrice negative si astfel, momentul electric elementar al acestuia devine nenul si

3

deoarece vectorii momentelor electrice elementare sunt proienatti dupa directia fortei externe aplicate, in material se instaleaza starea de polarizare.

Efectul piezoelectric direct este prezentat mai jos, in care, in stranga se considera un material dielectric izolat, in materialul dielectric nu exista feneomene de polarizare. La aplicarea unei forte mecanice asupra materialului, acesta se polarizeaza .

Materialele dielectrice la care este prezent efectul piezoelectric direct sunt utilizate la traductoarelor piezoelectrice, care realizeaza conversia dintr-o marime mecanica in una electrica, exemplu, la realizarea microfoanelor.

◦Efectul piezoelectric invers este prezentat mai jos, prin aplicarea unui camp electric asupra unui material dielectric, acesta poate (a) sa comprime materialul sau (b) sa-l extinda.

Materialele dielectrice la care este prezent efectul piezoelectric invers sunt utilizate la realizarea dispozitivelor ce realizeaza conversia dintr-o marime electrica in una mecanica.

◌Functiile dielectricilor si utilizarile lor

◦Functia de dielectric pentru condensatoarePentru un dielectric liniar si izotrop, permitivitatea relativa complexa,este de forma:

4

Condensatorul cu dielectric este echivalent cu un condensator fara pierderi avand capacitatea de ori

mai mare: si rezistenta de pierderi in paralel, de valoare:

Permitivitatea relativa complexa obtine forma:

Factorul de calitate al condensatorului are expresia:

◦ Functia de izolatie electricaMaterialele dielectrice utilizate la izolarea conductorilor electrici ,presupun re zistenta de izolatie ridicata, pentru a micsoara pierderile datorate curentilor de conductie prin dielectric, permitivitate relativa scazuta pentru micsorarea cuplajului capacitiv intre conductori, care intervine cu precadere la frecvente inalte si rigiditate dielectrica ridicata, pentru evitarea strapungerii dielectricului.

Rigiditatea dielectrica este egala cu campul electric la care are loc strapungerea dielectricului si

are expresia:

unde: strU este tensiunea la care se strapunge dielectricul de grosime "d". Dielectricii utilizati pentru realizarea condensatoarelor, au grosimi de ordinul micronilor, rigiditatea lor dielectrica este ridicata.

◦ Functii neliniare si parametrice Materialele dielectrice, precum cristalele feroelectrice.Aceste materiale sunt utilizate in constructia unor amplificatoare, stabilizatoare, modulatoare in amplitudine sau faza.

◦Functia de traductor piezoelectric Prin interactiuni de natura elastica-electrica, se transforma energia mecanica sau tensiunea mecanica in energie electrica sau tensiune electrica. Efectul piezoelectric direct si invers, este utilizat pentru realizarea de traductoare, microfoane, doze piezoelectrice, traductoare ultrasonice, difuzoare pentru frecvente inalte. Efectul piezoelectric mai este utilizat si pentru realizarea de dispozitive cu unda elastica de volum (rezonatoare, filtre ceramice) .

◦ Functia de traductor electro-optic Materialele dielectrice cu polarizare spontana, cum sunt unele cristale feroelectrice si cristalele lichide, permit modularea comandata electric a unui fascicul luminos transmis sau reflectat de dielectric. Aceste materiale sunt utilizate pentru realizarea dispozitivelor de afisaj alfanumerice si a deflectoarelor de flux luminos.

◦ Functia de traductor de temperaturaSusceptivitatea electrica a cristalelor feroelectrice are o dependenta pronuntata de temperatura si determina astfel variatia polarizatiei spontane cu temperatura, proces in conversia energiei fluxului radiant din spectrul infrarosu apropiat si indepartat, in energie electrica.

◦ Functia de electret Functia de electret se bazeaza pe polarizatia de lunga durata a electretilor, creata de campul electrostatic intern si utilizata la realizarea dozimetrelor, filtrelor pentru gaze sau a microfoanelor.

Principalele tipuri de pierderi in dielectrici

5

- ◦Pierderi prin polarizare. Cu exceptia polarizarilor de deplasare (electronica si ionica care nu sunt insotite de pierderi deoarece deplasarile particulelor incarcate sunt elastice, toate celelalte mecanisme de polarizare au loc cu consum de energie din partea campului electric.

◦Pierderi prin conductie electrica, Apar la dielectricii care au conductibilitate volumetrica sau superficiala mare.

- ◦Pierderi prin ionizare Caracteristice dielectricilor in stare gazoasa sau solida cu incluziuni gazoase, in prezenta unor

campuri a caror intensitate depaseste valoarea corespunzatoare inceputului ionizarii in gaz.

- ◦Pierderi conditionate de neomogenitatea structurala Apar la dielectricii in a caror compozitie se intalnesc adaosuri intamplatoare sau componente adaugate intentionat pentru variatia necesara a proprietatilor materialului de baza.

Pentru majoritatea dielectricilor polarizarea este insotita nu doar de unul ci de mai multe tipuri de pierderi (din cele enumerate mai sus).

◦ Pierderi prin conductie in dielectriciDielectricii liniari poseda sarcini electrice "libere" in concentratie redusa care se pot deplasa in camp electric exterior, constituindu-se in curent electric de conductie.

a) Dielectrici gazosi Curentul electric de conductie in dielectricii gazosi este format din ioni si electroni liberi, generati printr-un proces de ionizare in prezenta unor factori externi cum ar fi radiatii in spectrul infrarosu si ultraviolet, sau in prezenta campului electric .

b) Dielectrici lichizi Conductia electrica a dielectricilor lichizi este o functie de structura moleculara si depinde de tipul si cantitatea de impuritati, mai ales la lichidele cu polarizare prin deplasare. Cu cresterea temperaturii conductibilitatea se mareste mai ales prin cresterea mobilitatii purtatorilor de sarcina.

c) Dielectrici soliziConductia electrica in dielectricii solizi este asigurata prin electroni ,de asemenea prin defecte ale structurii cristaline ,depinzand mult de temperatura. Densitatea curentului de conductie are expresia:

,crescand atat cu temperatura cat si cu intensitatea campului electric aplicat. Rezistivitatea superficiala este ridicata la dielectricii solizi insolubili in apa, si scazuta la cei solubili sau cu structura poroasa.◌Rigiditatea dielectrica In campuri electrice puternice densitatea curentului de conductie in materialul dielectric isi pierde din proprietatile sale izolante. Fenomenul se numeste strapungerea dielectricului, iar valoarea intensitatii campului la care se produce acest fenomen poarta numele de rigiditate dielectrica. Rigiditatea materialelor dielectrice gazoase.

In dielectricii gazosi strapungerea se datoreaza in majoritatea cazurilor ionizarilor prin ciocnire. Prin acest mecanism strapungerea se produce atunci cand energia cinetica a purtatorilor de sarcina liberi (electroni si ioni) este suficienta pentru a produce ionizarea prin ciocnire a moleculelor gazului. In conditii normale de temperatura si presiune gazele au o rigiditate de 3MV/m.

6

Rigiditatea gazelor in camp omogen variaza in functie de frecventa. Pentru frecvente joase se constata o scadere a rigiditatii datorita acumularii de sarcini de volum, la frecvente inalte rigiditatea creste. Rigiditatea materialelor dielectrice lichide.

In cazul dielectricilor lichizi cu grad inalt de puritate, strapungerea se datoreaza ionizarii prin ciocnire. Rigiditatea poate ajunge la 100MV/m. Pentru dielectricii lichizi de puritate tehnica rigiditatea este insa mult mai mica datorita adaosurilor: apa, bule de gaz, particule mecanice marunte. Rigiditatea dielectricilor lichizi depinde de tipul si cantitatea adaosurilor, incadrandu-se in majoritatea cazurilor in zona 20-25MV/m. Rigiditatea materialelor dielectrice solide.

Rigiditatea la aceste materiale se ridica pana la sute de MV/m. Are o valoare mai mare in cazul dielectricilor polari, insa scade foarte mult cu temperatura.

◦ Utilizarile materialelor dielectrice

In functie de proprietati, materialele dielectrice sunt folosite in special in urmatoarele scopuri:

dielectrici pentru condensatoare; -sunt esentiale proprietatile dielectrice ale materialului (valoarea permitivitatii complexe relative si dependenta acesteia de frecventa si temperatura, rigiditatea dielectrica) .

materiale pentru fabricarea pieselor electroizolante de cele mai diverse tipuri utilizate in aparatura electronica (casete, socluri, comutatoare, clape, etc.); pentru aceasta utilizare sunt foarte importante valorile rezistentei mecanice, a rigiditatii dielectrice si a rezistivitatii volumetrice si superficiale , posibilitatea de obtinere a unor forme constructiv complicate printr-un numar mic de operatii tehnologice;

materiale pentru realizarea unor suporturi dielectrice in tehnologia cablajelor imprimate si in tehnologia microelectronica peliculara; proprietatile dielectrice trebuie sa fie insotite de bune proprietati mecanice, si in special, de o conductivitatea termica ridicata;

materiale de impregnare, de umplere ,de protectie pentru componente; in acest scop se folosesc atat materiale dielectrice lichide sau solide in stare pura cat, mai ales, compounduri si lacuri;

materiale pentru dispozitive dielectrice numerice, ce utilizeaza rectangularitatea ciclului de polarizare;

materiale pentru amplificatoare ,modulatoare dielectrice utilizand neliniaritatea ciclului de polarizare;

materiale pentru traductoare piezoelectrice.

◦ Clasificarea dielectricilor (pe baza starii de polarizatie)

Clasificarea dupa starea fizica a izolantilor se face in izolanti : solizi, lichizi si gazosi, iar dupa compozitia chimica se disting doua clase mari: izolanti organici si izolanti anorganici.

grupa I cuprinde dielectricii care au numai polarizare electronica, de exemplu corpurile solide neuter sau slab polare, in stare cristalina sau amorfa (parafina, polistiren, sulf etc), precum si gaze sau lichide neutre sau slab polare ( hidrogen, heliu, argon, benzen etc);

grupa a II-a cuprinde dielectricii care prezinta polarizare electronica si ionica in acelasi timp si care sunt dielectrici cristalini cu o asezare compacta a ionilor: cuart, mica, rutil etc;

7

grupa a III-a este formata din dielectrici cu polarizare electronica si structurala, unii avand si polarizare ionica: celuloza, masele plastice termoreactive, portelanul, micalexul etc;

grupa a IV-a contine dielectricii lichizi si viscosi cu polaritate electronica si dipolica: compoundurile cu colofoniu, uleiul de ricin, sovolul etc;

grupa a V-a cuprinde materialele seignettoelectrice caracterizate prin polarizare electronica si spontana: sarea lui Seignette (tartrat dublu de sodiu si potasiu), titanatul de bariu (BaTiO3), etc.

◦ Clasificare (in functie de stare)

dielectrici gazosi • gaze naturale: heliu, hidrogen, oxigen, azot, argon, bioxid de carbon, etena,aer uscat,aer umed; • gaze sintetice: hexaclorura de sulf, diclordiflormetan, hexafloretan, octoflorciclobutan,etc.

dielectrici lichizi • uleiuri minerale: ulei de condensator, ulei de transformator,etc. • uleiuri sintetice: hidrocarburi aromatice clorurate, uleiuri siliconice, dibutilsebacat,etc.

dielectrici solizi • organici: celuloza, cauciucul, polimerii, monomerii, materiale sintetice termoplastice nepolare, polare, materiale sintetice termorigide, materiale dielectrice celulozice,etc. • anorganici: mica si materiale pe baza de mica, sticla, materiale ceramice, materiale dielectrice cu polarizare spontana, materiale piezoelectrice, pelicule dielectrice din oxizi ai metalelor,etc.

Grosimea materialului joaca un rol important in determinarea tensiunii sale de strapungere, tensiune cunoscuta si sub numele de rigiditate dielectrica. Mai sus este prezentat un tabel cu cele mai uzuale materiale folosite pe post de dielectric in cadrul circuitelor si dispozitivelor electrice. Rigiditatea dielectrica este exprimata in MV / m (106V / m).

8