Materiale, componente și tehnologie electronică

2. Materiale dielectrice

2.1 Prezentare generală

Dielectricii sunt materiale care sunt utilizate în principal pentru a izola

între ele componentele dintr-un circuit electronic sau pentru a

determina efectul capacitiv caracteristic anumitor componente

electronice. Termenul dipol electric este utilizat pentru atomi sau

grupuri de atomi care efectiv se caracterizează printr-o sarcină

electrică pozitivă şi una negativă, separate printr-o anumită distanţă.

Dipolii pot fi permanenţi sau induşi.

Indiferent de tipul dipolului, atunci când se aplică un câmp

electric materialului dielectric, aceştia se vor alinia după

direcţia câmpului, ca şi în figura 1.1. Când dipolii sunt aliniaţi,

se spune că materialul este polarizat.

Polarizarea electronică, ionică, de orientare, şi piezoelectrică

sunt principalele mecanisme de polarizare a unui material dielectric.

- + - + -

+ - + - + -

+ - + - + -

+

E≠0

Fig. 2.1. Dipoli în câmp electric

E=0 E≠0

- + - +

Fig.2.2. Polarizarea electronică

+ - + - + - + -

Fig.2.3. Polarizarea ionică

E=0 E≠0

Fig. 2.4. Polarizarea de orientare

E=0 E≠0

2

a b c

F F

d e

Fig. 2.5. Polarizarea piezoelectrică

Piezoelectricitatea este un

termen general ce descrie

proprietatea unor materiale de

a se polariza electric sub

acţiunea unor tensiuni

mecanice. De asemenea,

dacă un material piezoelectric

este plasat într-un câmp

electric, va avea loc o

deformare a materialului, prin

efect piezoelectric invers.

Materialele piezoelectrice sunt

caracterizate de dipoli electrici

permanenţi. Aceste efecte

sunt prezentate exagerat în

Fig. 2.5. În relitae deformările

sunt foarte miciatunci când nu

apare şi rezonanţa mecanică

a componentei. Tipic,

deformările sunt de ordinul

micrometrilor.

În general, pentru majoritatea materialelor dielectrice se pot manifesta simultan mai multe tipuri de polarizare.

De exemplu toate tipurile de polarizare permanent sunt însoţite si de polarizarea electronică.

2.2 Caracteristici ale materialelor dielectrice

2.2.1 Permitivitatea dielectrică

Considerând un condensator plan cu vid între armături

(2.1)

unde ε0 este permitivitatea dielectrică a vidului the având valoarea 8,85 · 10-12 F/m .

Dacă între armături se introduce un material dielectric, atunci

(2.2)

P se numeşte polarizaţie and şi se măsoară în C/m2

(2.3)

unde εr is este permitivitatea relativă a materialului dielectric

(2.4)

unde χε is se numeşte susceptivitate dielectrică.

Permitivitatea relativă a materialelor utilizate în electronică variază între 1 şi n x 1000, dar valorile uzuale sunt între 2 şi 10.

Polarizarea materialului nu este instantanee odată ce a fost aplicat câmpul electric. Din acest motiv, se

introduce noţiunea de permitivitate relativă complexă.

(2.5)

unde j = -1 .

Dacă se notează cu C0 capacitatea condensatorului cu vid între armături, iar pentru condensatorul cu

dielectric între armături se consideră ca liniile de câmp se închid în întregime prin material, efectele de

margine fiind neglijabile, atunci admitanţa condensatorului cu dielectric este dată de relaţia:

(2.6)

se observă că admitanţa condensatorului cu dielectric între armături este formată dintr-o capacitate

Cp=ε’

rC0 în paralel cu o rezistenţă Rp=1/ωε”

rC0. Deci condensatorul cu dielectric între armături poate fi

echivalat printr-o schemă compusă dintr-un condensator ideal, având capacitatea multiplicată cu factorul

ε’

r comparativ cu capacitatea condensatorului cu vid între armături, în paralel cu o rezistenţă.

Astfel funcţionarea dielectricului real poate fi echivalată printr-o schemă electrică realizată cu

elemente de circuit ideale.