Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ДИ)"
Автор книги: Большая Советская Энциклопедия
Жанр:
Энциклопедии
сообщить о нарушении
Текущая страница: 49 (всего у книги 50 страниц)
Диэлектрическая антенна
Диэлектри'ческая анте'нна, антенна в виде отрезка диэлектрического стержня, возбуждённого радиоволноводом или штырём коаксиального кабеля. В стержне Д. а. (рис.) возбуждается волна особой структуры (так называемая поверхностная волна), распространяющаяся вдоль его оси, и, как следствие, на поверхности стержня возникают тангенциальные (касательные к поверхности) составляющие электрического и магнитного полей, фаза которых меняется по закону бегущей волны. По существу Д. а. представляет собой бегущей волны антенну, состоящую из элементарных электрических и магнитных вибраторов. Её максимум излучения, как и всякой антенны бегущей волны, совпадает с осью стержня. Характер излучения Д. а. зависит от фазовой скорости распространения поверхностной волны. С увеличением диаметра стержня и диэлектрической проницаемости материала, из которого он выполнен, фазовая скорость уменьшается. Чем меньше фазовая скорость, тем больше длина стержня, при которой коэффициент направленного действия (КНД) антенны максимален (так называемая оптимальная длина), и больше максимально возможный КНД. По мере уменьшения фазовой скорости или приближения её к скорости света в окружающей среде (воздухе) диэлектрический стержень теряет волноводные свойства. Это приводит к резкому спаданию поля к концу стержня, увеличению излучения в окружающую Д. а. среду непосредственно из открытого конца радиоволновода и уменьшению эффективности Д. а. Диаметр и материал стержня обычно выбирают так, чтобы фазовая скорость была не очень близкой к скорости света (не более 0,95—0,96 скорости света). При такой фазовой скорости оптимальная длина равна 12 длинам излучаемой волны и КНД равен ~ 100. Стержень Д. а. изготовляют из диэлектрических материалов с малым затуханием электромагнитных волн в них – полистирол, фторопласт и др. Д. а. применяют преимущественно на летательных аппаратах в радиоустройствах, работающих на сантиметровых и дециметровых волнах.
О. Н. Терёшин, Г. К. Галимов.
Диэлектрическая антенна: 1 – конусообразный стержень; 2 – штырь, излучающий радиоволны в стержень; 3 – коаксиальный кабель. Стрелками показано направление излучения антенны.
Диэлектрическая восприимчивость
Диэлектри'ческая восприи'мчивость, величина, характеризующая способность диэлектриков к поляризации. Количественно Д. в. – коэффициент пропорциональности c в соотношении P = cЕ, где Е – напряжённость электрического поля, P – поляризация диэлектрика (дипольный момент единицы объёма диэлектрика). Д. в. характеризует диэлектрические свойства вещества так же, как и диэлектрическая проницаемость e, с которой она связана соотношением: e = 1 + 4pc.
Лит. см. при ст. Диэлектрики.
Диэлектрическая постоянная
Диэлектри'ческая постоя'нная, устаревшее название диэлектрической проницаемости.
Диэлектрическая проницаемость
Диэлектри'ческая проница'емость, величина, характеризующая диэлектрические свойства среды – её реакцию на электрическое поле. В соотношении D = eЕ, где Е – напряжённость электрического поля, D – электрическая индукция в среде, Д. п. – коэффициент пропорциональности e. В большинстве диэлектриков при не очень сильных полях Д. п. не зависит от поля Е. В сильных электрических полях (сравнимых с внутриатомными полями), а в некоторых диэлектриках (например, сегнетоэлектриках) в обычных полях зависимость D от Е – нелинейная (см. Нелинейная оптика).
Величина Д. п. существенно зависит от типа вещества и от внешних условий (температуры, давления и т.п.). В переменных электрических полях Д. п. зависит от частоты поля Е (см. Диэлектрики). О методах измерения Д. п. см. Диэлектрические измерения.
Лит. см. при ст. Диэлектрики, Электроизоляционные материалы.
Диэлектрическая электроника
Диэлектри'ческая электро'ника, область физики, занимающаяся исследованием и практическим применением явлений, связанных с протеканием электрических токов в диэлектриках. Концентрация электронов проводимости или каких-либо других свободных носителей заряда в диэлектриках (дырок, ионов) пренебрежимо мала. Поэтому до недавнего времени диэлектрики в электро– и радиотехнике использовались только как изоляторы (см. Электроизоляционные материалы). Исследования тонких диэлектрических плёнок показали, что при контакте с металлом в диэлектрик переходят электроны или дырки, в результате чего у контакта в тонком слое диэлектрика появляются в заметном количестве свободные носители заряда. Если диэлектрик массивный, то весь его остальной объём действует по-прежнему как изолятор, и поэтому в системе металл—диэлектрик—металл ток ничтожно мал. Если же между двумя металлическими электродами поместить тонкую диэлектрическую плёнку (обычно 1—10 мкм), то эмитируемые из металла электроны заполнят всю толщу плёнки и напряжение, приложенное к такой системе, создаст ток через диэлектрик.
Теоретически возможность протекания управляемых эмиссионных токов через диэлектрик была предсказана английскими физиками Н. Моттом и Р. Гёрни в 1940. Д. э. изучает протекание токов, ограниченных пространственным зарядом в диэлектриках, при термоэлектронной эмиссии из металлов и полупроводников, при туннельной эмиссии и т.д.
Простейший прибор Д. э. – диэлектрический диод представляет собой сандвич-структуру металл—диэлектрик—металл (рис. 1). Он во многом аналогичен электровакуумному диоду и поэтому называется аналоговым. Его выпрямляющее действие обусловлено различием работы выхода электронов из электродов, изготовленных из разных металлов. Для одного из электродов – истока (аналог катода) применяется металл, у которого работа выхода электронов в данный диэлектрик мала (доли эв); для второго (сток – аналог анода) – металл с большой работой выхода (1—2 эв). Поэтому в одном направлении возникают значительные токи, а в обратном направлении токи исчезающе малы. Коэффициент выпрямления диэлектрического диода достигает значений 104 и выше.
Создание диэлектрического триода связано с технологическими трудностями размещения управляющего электрода – затвора (аналог сетки в электровакуумном триоде) в тонком слое диэлектрика между истоком и стоком. В одном типе триода эмиссия происходит из полупроводникаn, обладающего электронной проводимостью, в высокоомный полупроводник р с дырочной проводимостью, который играет роль диэлектрика (рис. 2). Низкоомные области, образованные из полупроводника Р+ с высокой дырочной проводимостью, исполняют роль, во многом сходную с ролью металлических ячеек сетки электровакуумного триода. Подаваемое на эти области внешнее напряжение управляет величиной тока, протекающего между истоком и стоком.
В другом типе триода (рис. 3) затвор помещён вне диэлектрика CdS; его роль сводится к изменению распределения потенциала в диэлектрике, от чего существенно зависит величина тока. Физическая картина явлений в этих триодах значительно сложнее и существенно отличается от протекания эмиссионных токов в вакууме. Распространение получили триоды с изолированным затвором МОП (металл—окисел– полупроводник) или МДП (металл—диэлектрик—полупроводник).
В приборах Д. э. удачно сочетаются достоинства полупроводниковых и электровакуумных приборов и отсутствуют многие их недостатки. Приборы Д. э. микроминиатюрны. Создание эмиссионных токов в диэлектриках не требует затрат энергии на нагрев эмитирующего электрода и не сталкивается с проблемой отвода тепла. Диэлектрические приборы малоинерционны, обладают хорошими частотными характеристиками, низким уровнем шумов, мало чувствительны к изменениям температуры и радиации.
Лит.: Мотт Н., Герни Р., Электронные процессы в ионных кристаллах, пер. с англ., М., 1950; Адирович Э. И., Электрические поля и токи в диэлектриках, «Физика твердого тела», 1960, т. 2, в. 7, с. 1410; его же, Эмиссионные токи в твердых телах и диэлектрическая электроника, в сб.: Микроэлектроника, под ред. Ф. В. Лукина, в. 3, М., 1969, с. 393.
Э. И. Адирович.
Рис. 3. Структура триода с изолированным затвором.
Рис.1. Диэлектрический диод, называемый сандвич-структурой.
Рис. 2. Горизонтальный разрез диэлектрического триода со встроенной сеткой; n – полупроводник, обладающий электронной проводимостью; р – диэлектрик (высокоомный полупроводник с дырочной проводимостью), в который происходит эмиссия электронов; P+ – низкоомные области полупроводника с дырочной проводимостью, через которые электроны не проходят.
Диэлектрические измерения
Диэлектри'ческие измере'ния, измерения величин, характеризующих свойства диэлектриков в постоянном и переменном электрических полях. К Д. и. относятся измерения диэлектрической проницаемости e в постоянных и переменных полях, диэлектрических потерь, удельной электропроводности в постоянном электрическом поле, электрической прочности.
В случае твёрдых диэлектриков Д. и. часто сводятся к измерению ёмкости С плоского электрического конденсатора, между пластинами которого помещён исследуемый диэлектрик. По формуле
(d – толщина диэлектрического образца, S – площадь его боковой грани, k – коэффициент пропорциональности) находят диэлектрическую проницаемость e. В случае жидкостей и газов измеряют ёмкость системы электродов в вакууме (С) и в данном веществе (Сe), а затем определяют e из соотношения: e = Сe/С.
Методы измерения ёмкости и диэлектрических потерь различны для разных частот электрического поля. В постоянном поле и при низких частотах (десятые доли гц) ёмкость, как правило, определяют путём измерений зарядного или разрядного токов конденсатора с помощью баллистического гальванометра (рис. 1).
В области частот от десятых гц до 107гц, помимо С, существенно измерение диэлектрических потерь, мерой которых является тангенс угла диэлектрических потерь tg d. С и tg d измеряют с помощью мостовых схем, в частности мостов Шеринга.
В высокочастотной области (от 105 до 108гц) для измерения ёмкости Сe и диэлектрической проницаемости e применяют главным образом резонансные методы (рис. 2). Колебательный контур, содержащий образцовый конденсатор (см. Емкости меры), настраивается в резонанс, и определяется соответствующая резонансу величина ёмкости С'. Затем параллельно образцовому конденсатору присоединяют конденсатор с диэлектриком Сe, и контур снова настраивается в резонанс. Во втором случае ёмкость С" образцового конденсатора будет меньше. Ёмкость конденсатора, заполненного диэлектриком Ce, определяется по формуле:
Ce = C' – С". (1)
Различные резонансные методы отличаются друг от друга по способу определения tg d. В методе замещения диэлектрик заменяется эквивалентной схемой, состоящей из ёмкости и сопротивления. Подбирается такое сопротивление R, которое, будучи включено последовательно или параллельно образцовому конденсатору С, ёмкость которого берётся равной ёмкости диэлектрика Сe, даёт такой же резонансный ток в контуре, как и образец диэлектрика. Метод расстройки контура основан на том, что ширина резонансной кривой контура определяется его добротностью Q, связанной с тангенсом угла потерь диэлектрика соотношением:
tg d = 1/Q. (2)
Ёмкость и диэлектрические потери определяют также методом куметра. В данной области частот можно применять также метод биений.
В области сверхвысоких частот (от 108 до 1011гц) Д. и. основаны на использовании объёмных резонаторов и радиоволноводов, а также на закономерностях распространения электромагнитных волн в свободном пространстве. В случае газообразных диэлектриков измеряют резонансную частоту w и добротность Q объёмного резонатора (рис. 3), когда в нём создан вакуум, и те же величины we и Qe, когда он целиком заполнен диэлектриком. При этом имеют место соотношения:
В случае жидких и твёрдых диэлектриков, если они целиком заполняют резонатор, получаются гораздо большие изменения резонансной частоты и добротности. Кроме того, если диэлектрические потери велики, то добротность резонатора становится весьма малой величиной. Это нарушает справедливость формул (3) и (4). Поэтому применяют частичное заполнение резонатора диэлектриком, чаще всего имеющим форму диска или стержня.
Другой метод Д. и. в области СВЧ состоит в том, что в радиоволноводе устанавливаются бегущая или стоячая электромагнитные волны. Для волновода, заполненного диэлектриком, длина волны le равна:
где l – длина волны в свободном пространстве, lкр – критическая (предельная) длина волны, зависящая от типа волн и размеров поперечного сечения волновода. Из формулы (5) можно определять e. При введении диэлектрика в волновод изменяются условия распространения волн и происходит поглощение энергии электромагнитного поля. Это позволяет определить tg d.
Существуют два основных метода измерения e и tg d с помощью волновода. Первый основан на наблюдении картины стоячих волн в волноводе, нагружённом известным сопротивлением. Второй – на наблюдении поглощения волн, проходящих через диэлектрик. В случае газов, которые имеют e » 1 и малые диэлектрические потери, e и tg d определяют с помощью установки, схематически изображённой на рис. 3. В среднем участке волновода, отгороженном слюдяными окнами, создаётся вакуум, а затем туда вводится газ. При этом в согласии с формулой (5) длина волны уменьшается и положение минимумов стоячей волны смещается. Д. и. жидкостей и твёрдых тел, имеющих e ¹ 1, осложняются отражением волн на границе воздух – диэлектрик. В этих условиях наблюдают картину стоячих волн на входе заполненного диэлектриком волновода с помощью измерительной линии. В области миллиметровых, инфракрасных и световых волн измеряют коэффициент отражения или преломления и коэффициент поглощения диэлектрика, откуда находят e и tg d.
Методы измерения удельной электропроводности диэлектриков s в постоянном поле существенно не отличаются от аналогичных методов для металлов и полупроводников. Для точных измерений очень малых s используют постоянного тока усилитель.
Измерения электрической прочности Епр основаны на измерении напряжения Vnp, которое соответствует наступлению диэлектрического пробоя:
Епр = Vпр/d, (6)
где d – расстояние между электродами.
Лит.: Сканави Г. И., Диэлектрическая поляризация и потери в стеклах и керамических материалах с высокой диэлектрической проницаемостью, М. – Л., 1952; Карандеев К. Б., Мостовые методы измерений, К., 1953; Хиппель А. Р., Диэлектрики и их применение, пер. с англ., М. – Л., 1959; Браун В., Диэлектрики, пер. с англ., М., 1961; Измерения на сверхвысоких частотах, пер. с англ., под ред. В. Б. Штейншлейгера, М., 1952.
А. Н. Губкин.
Рис. 3. Волноводные установки для измерения e и tgd газов.
Рис. 1. Измерения диэлектрической проницаемости при помощи баллистического гальванометра G.
Рис. 2. Измерения ёмкости Сe и диэлектрической проницаемости e резонансным методом. Катушка индуктивности L и образцовый конденсатор С образуют замкнутый контур, слабо связанный с генератором переменного тока.
Диэлектрические потери
Диэлектри'ческие поте'ри, часть энергии переменного электрического поля в диэлектрической среде, которая переходит в тепло. При изменении значения и направления напряжённости Е электрического поля диэлектрическая поляризация также меняет величину и направление (см. Диэлектрики); за время одного периода переменного поля поляризация дважды устанавливается и дважды исчезает. Если диэлектрик построен из молекул, которые представляют собой диполи (полярные молекулы) или содержит слабо связанные ионы, то ориентация таких частиц или смещение в электрическом поле (ориентационная поляризация) требуют определённого времени (время релаксации). В результате максимум поляризации не совпадает во времени с максимумом напряжённости поля, т. е. имеется сдвиг фаз между напряжённостью поля и поляризацией. Благодаря этому имеется также сдвиг фаз между напряжённостью электрического поля Е и электрической индукцией D, который и обусловливает потери энергии We. Переходя к векторному изображению величин, можно сказать, что вектор электрической индукции отстаёт от вектора электрического поля на некоторый угол d, который носит название угла диэлектрических потерь. Когда молекулы или ионы ориентируются полем, они испытывают соударения с др. частицами, при этом рассеивается энергия. Если время релаксации t во много раз больше, чем период Т изменения приложенного поля, то поляризация почти не успевает развиться и Д. п. очень малы. При малых частотах, когда время релаксации t значительно меньше периода Т, поляризация следует за полем и Д. п. также малы, т.к. мало число переориентаций в единицу времени. Д. п. имеют максимальное значение, когда выполняется равенство w = 1/t, где w – круговая частота электрического поля: w = 2p/T.
Описанный механизм релаксационных Д. п. имеет место в твёрдых и жидких диэлектриках, содержащих полярные молекулы или слабо связанные ионы. Величина релаксационных Д. п. в жидкости зависит от её вязкости, от температуры и от частоты приложенного поля. Для невязких жидкостей (вода, спирт) эти потери проявляются в сантиметровом диапазоне длин волн. В полимерах, содержащих полярные группы, возможна ориентация как отдельных полярных радикалов, так и более или менее длинных цепочек молекул.
В диэлектриках с ионной и электронной поляризацией вещество можно рассматривать как совокупность осцилляторов, которые в переменном электрическом поле испытывают вынужденные колебания, сопровождающиеся рассеянием энергии (рис. 1). Однако если частота электрического поля гораздо больше или меньше собственной частоты осцилляторов, то рассеяние энергии и, следовательно, Д. п. незначительны. При частотах, сравнимых с собственной частотой осцилляторов, рассеяние энергии и Д. п. We велики и имеют максимум при равенстве этих частот w = w (рис. 2). При электронной поляризации максимум потерь соответствует оптическому диапазону частот. В диэлектриках, построенных из ионов (например, щёлочно-галоидные кристаллы), поляризация обусловлена упругим смещением ионов и максимум потерь имеет место в инфракрасном диапазоне частот (1012—1013гц).
Т. к. реальные диэлектрики обладают некоторой электропроводностью, то имеются потери энергии, связанные с протеканием в них электрического тока (джоулевы потери), величина которых не зависит от частоты.
Величина Д. п. в диэлектрике, находящемся между обкладками конденсатора, определяется соотношением:
We = U2wC tg d,
где U – напряжение на обкладках конденсатора, С – ёмкость конденсатора, tg d – тангенс угла диэлектрических потерь. Д. п. в 1 см3 диэлектрика в однородном поле Е равны:
We = E2we tg d,
где e – диэлектрическая проницаемость.
Произведение e tg d называется коэффициентом Д. п. Уменьшение величины Д. п. имеет большое значение в производстве конденсаторов и электроизоляционной технике. Большие Д. п. используются для диэлектрического нагрева в электрическом поле высокой частоты.
Лит.: Сканави Г. И., Физика диэлектриков (Область слабых полей), М. – Л., 1949; Браун В., Диэлектрики, пер. с англ., М., 1961; Хиппель А. Р., Диэлектрики и их применение, пер. с англ., М., 1959; Физический энциклопедический словарь, т. 1, М., 1960, с. 643.
Е. А. Конорова.
Рис. 1. Модель диэлектрика, состоящего из осцилляторов – упруго связанных электрических зарядов.
Рис. 2. Зависимость We(w) для диэлектрика, состоящего из одинаковых осцилляторов, изображённых на рис. 1.
Диэлектрический волновод
Диэлектри'ческий волново'д, радиоволновод, состоящий целиком из диэлектрических материалов (полиэтилена, полистирола и др.).
Диэлектрический нагрев
Диэлектри'ческийнагре'в, нагрев диэлектриков в переменном электрическом поле. При наложении переменного электрического поля в диэлектриках появляется ток смещения, вызванный их поляризацией, и ток проводимости, обусловленный наличием в диэлектрике свободных электрически заряженных частиц. Протекание суммарного тока приводит к выделению тепла. Выделяющаяся удельная мощность пропорциональна напряжённости (Е) и частоте (f) электрического поля, а также диэлектрической постоянной (e) и тангенсу угла потерь (tg d) диэлектрика. При частотах 0,3—300 Мгц Д. н. осуществляется в поле конденсатора (источник энергии – ламповые генераторы), при сверхвысоких частотах – в поле объёмного резонатора или излучателя (источник – магнетроны). Напряжённость электрического поля в промышленных установках Д. н. 5—3000 кв/м. Достоинства установок Д. н.: высокая скорость нагрева; равномерный нагрев материалов с низкой теплопроводностью; осуществление местного и избирательного нагрева и др. Области применения Д. н. – сушка материалов (древесины, бумаги, керамики и др.); нагрев пластмасс перед прессованием; сварка пластмасс; склеивание древесины и т.д.
Лит.: Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников, 2 изд., М. – Л., 1959; Высокочастотная электротермия. Справочник, М. – Л., 1965; Брицын Н. Л., Нагрев в электрическом поле высокой частоты, 3 изд., М. – Л., 1965.
А. Б. Кувалдин.
