Замедленные виды поляризации.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Методические указания по выполнению лабораторной работы № 11

СОДЕРЖАНИЕ

1.1 Основные определения. 2

1.2 Механизмы поляризации. 2

1.2.1 Мгновенные виды поляризации. 2

1.2.2 Замедленные виды поляризации. 3

1.3 Температурный коэффициент емкости. 4

1.4. Классификация конденсаторов по виду диэлектрика и ТКЕ.. 5

2 Описание работы автоматизированного лабораторного стенда.. 6

2.1 Структура автоматизированного лабораторного стенда. 6

2.2 Принцип измерения емкости. 7

2.3 Измерительный блок. 8

3.1 Основное окно программы.. 9

3.2 Окно схемы измерений. 11

3.3 Рабочая тетрадь. 11

3.4 Инструменты.. 15

3.4.1 Характериограф.. 15

3.4.2 Коммутатор объектов. 16

3.4.3 Измеритель температуры.. 16

3.4.4 Нагреватель. 17

3.5 Обработка результатов измерений. 17

3.5.1 Построение и редактирование выражений. 17

3.5.2 Построение и редактирование графиков. 18

3.5.3 Формирование отчета. 19

4 выполнение работы... 21

4.1 Виды исследований. 21

4.2 Порядок выполнения работы.. 21

5 Контрольные вопросы... 22

Литература.. 22

Теоретическое введение

Основные определения

Диэлектрики - материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. При внесении в электрическое поле каких-либо диэлектриков, происходит изменение этого поля. Помещая диэлектрик между разноимённо заряженными пластинами, количество электричества на пластинах увеличивается при заданной разности потенциалов между ними, т.е., другими словами, увеличивается ёмкость конденсатора.

Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического дипольного момента у любого элемента его объема. Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность. Поляризованностью называют векторную величину, равную отношению электрического момента dp элемента объема dV к этому объему:

, (1)

где p – дипольный момент, который определяется произведением заряда на расстояние между центрами отрицательного и положительного зарядов. Поляризованность численно равна поверхностной плотности связанных зарядов и выражается в Кл/м².

Линейными называются диэлектрики, для которых в слабых полях характерна линейная зависимость поляризованности от напряженности внешнего поля.

P = e₀cE = e₀(e – 1)E, (2)

где c – диэлектрическая восприимчивость, e₀ = 8.854×10^-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная, e – диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость характеризует способность поляризоваться и численно равна отношению емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости такого же по размеру конденсатора, если между обкладками – вакуум.

Дипольный момент элемента объема диэлектрика может появиться вследствие смещения различных заряженных частиц. Поэтому различают несколько видов поляризации, которые могут иметь место одновременно у одного и того же материала.

Механизмы поляризации

Мгновенные виды поляризации

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением и уменьшением числа частиц в единице объема. Кривая зависимости e от температуры подобна кривой изменения плотности, резкие снижения наблюдаются при агрегатных переходах (рисунок 1.1).

Электронная поляризация, очевидно, наблюдается во всех веществах. В ряде диэлектриков наблюдается только этот вид поляризации: полиэтилен, полистирол, фторопласт, сера и др.

Рисунок 1.1 Температурная зависимость диэлектрической проницаемости для различных видов поляризации

Ионная поляризация обусловлена смещением упруго-связанных ионов на расстояние существенно меньше постоянной решетки. На заряд q в поле напряженностью Е действует сила F = q Е. При смещении заряда на расстояние Dx возникает возвращающая упругая сила F_упр = k_упрDx, где k_упр – коэффициент упругой связи. В состоянии равновесия F=F_упр или q Е = k_упрDx. При повышении температуры диэлектрик расширяется, увеличивается расстояние между атомами, коэффициент упругой связи уменьшается, поэтому ионы под действием поля смещаются на большее расстояние и диэлектрическая проницаемость увеличивается.

Ионная поляризация наблюдается в ионных кристаллах, неорганических стеклах, керамиках.

Замедленные виды поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация обусловлена частичной ориентацией под действием поля дипольных молекул, находящихся в тепловом хаотическом движении.

У полярных диэлектриков в области низких температур ориентация молекул в большинстве случаев невозможна. При повышении температуры вязкость уменьшается, и возможность ориентации диполей облегчается, что приводит к возрастанию диэлектрической проницаемости. Однако при дальнейшем росте температуры сказывается усиление тепловых колебаний молекул, что уменьшает степень упорядоченности их ориентации. Это приводит к тому, что кривая зависимости e от температуры имеет максимум, а в дальнейшем снижается. Максимум может быть выражен не резко для некоторых материалов, представляющих смесь различных химических веществ.

Дипольно-релаксационная поляризация характерна для капрона, феноло-формальдегидных смол, эпоксидных компаундов, хлорированных углеводородов, кремнийорганических соединений и др.

Ионно-релаксационная поляризацияобусловлена тем, что слабосвязанные ионы под действием внешнего поля среди хаотических тепловых перебросов совершают избыточные перебросы в направлении поля и смещаются на расстояния, превышающие постоянную решетки. После снятия электрического поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости на рисунке 1 приведена только для твердых диэлектриков, так как в расплавленном состоянии соединения становятся проводниками с электролитической электропроводностью и для большинства материалов максимума в температурной зависимости диэлектрической проницаемости экспериментально не обнаружено.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в диэлектриках с неплотной упаковкой атомов, например в неорганических стеклах, керамиках, кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой частиц в решетке.

Электронно-релаксационная возникает за счет возбуждения тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов и дырок. На температурной зависимости диэлектрической проницаемости имеется максимум.

Миграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках с проводящими и полупроводящими включениями, в слоистых диэлектриках имеющих слои с различной проводимостью.

При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений перемещаются в пределах каждого включения, которое становится подобным огромной поляризованной молекуле. В граничных слоях слоистых материалов и приэлектродных слоях может быть накоплен заряд медленно движущихся ионов. Эта поляризация выключается при наиболее низких частотах и связана со значительным рассеянием электрической энергии.

Спонтанная поляризация свойственна сегнетоэлектрикам, которые являются нелинейными диэлектриками.

В нелинейных диэлектриках зависимость поляризованности и электрического смещения от напряженности поля имеет вид петли гистерезиса, а зависимость диэлектрической проницаемости имеется максимум (рисунок 1.2б) .В линейных диэлектриках зависимость поляризованности и электрического смещения от напряженности поля – линейная, а диэлектрическая проницаемость не зависит от напряженности поля (рисунок 1.2а).

Рисунок 1.2 Зависимость электрического смещения и диэлектрической
проницаемости для линейного (а) и нелинейного (б) диэлектриков.

Диэлектрики с замедленными видами поляризации опасно использовать на высоких частотах из-за разогрева материала.