VhodKakšna je dielektrična konstanta osebe? Dielektrična konstanta
Stopnja polarizabilnosti snovi je označena s posebno vrednostjo, imenovano dielektrična konstanta. Razmislimo, kakšna je ta vrednost.
Predpostavimo, da je jakost enakomernega polja med dvema naelektrenima ploščama v vakuumu enaka E₀. Zdaj zapolnimo vrzel med njimi s poljubnim dielektrikom. ki se zaradi njegove polarizacije pojavijo na meji med dielektrikom in prevodnikom, delno nevtralizirajo učinek nabojev na ploščah. Intenziteta E tega polja bo postala manjša od intenzitete E₀.
Izkušnje kažejo, da bo poljska jakost drugačna, ko bo vrzel med ploščama zaporedno zapolnjena z enakimi dielektriki. Če torej poznamo vrednost razmerja električne poljske jakosti med ploščama v odsotnosti dielektrika E₀ in v prisotnosti dielektrika E, lahko določimo njegovo polarizabilnost, tj. njegovo dielektrično konstanto. To količino običajno označujemo z grško črko ԑ (epsilon). Zato lahko zapišemo:
Prepustnost prikazuje, kolikokrat manjši bodo ti naboji v dielektriku (homogenem) kot v vakuumu.
Zmanjšanje sile interakcije med naboji je posledica procesov polarizacije medija. V električnem polju se elektroni v atomih in molekulah reducirajo glede na ione in se pojavi t.i. tiste molekule, ki imajo svoj dipolni moment (predvsem molekule vode), so usmerjene v električnem polju. Ti trenutki ustvarijo lastno električno polje, ki nasprotuje polju, ki je povzročilo njihov pojav. Posledično se skupno električno polje zmanjša. V majhnih poljih je ta pojav opisan s konceptom dielektrične konstante.
Spodaj je dielektrična konstanta v vakuumu različne snovi:
Zrak……………………………..1.0006
Parafin……………………………..2
Pleksi steklo (pleksi steklo)……3-4
Ebonit……………………………..…4
Porcelan……………………………....7
Steklo……………………………..…….4-7
Sljuda……………………………..….4-5
Naravna svila............4-5
Skrilavec........................6-7
Jantar………………12.8
Voda…………………………………...….81
Te vrednosti dielektrične konstante snovi se nanašajo na temperature okolice v območju 18–20 °C. Tako se dielektrična konstanta trdnih snovi rahlo spreminja s temperaturo, z izjemo feroelektrikov.
Nasprotno, pri plinih se zmanjša zaradi povečanja temperature in poveča zaradi povečanja tlaka. V praksi se jemlje kot eno.
Nečistoče v majhnih količinah malo vplivajo na raven dielektrične konstante tekočin.
Če v dielektrik postavimo dva poljubna točkasta naboja, se poljska jakost, ki jo ustvari vsak od teh nabojev na mestu drugega naboja, zmanjša za ԑ-krat. Iz tega sledi, da je tudi sila, s katero ti naboji medsebojno delujejo, ԑ-krat manjša. Zato je za naboje, nameščene v dielektriku, izražen s formulo:
F = (q₁q₂)/(4πԑₐr²),
kjer je F interakcijska sila, q₁ in q₂ sta velikosti nabojev, ԑ je absolutna dielektrična konstanta medija, r je razdalja med točkastimi naboji.
Vrednost ԑ lahko prikažemo številčno v relativnih enotah (glede na vrednost absolutne dielektrične prepustnosti vakuuma ԑ₀). Vrednost ԑ = ԑₐ/ԑ₀ se imenuje relativna dielektrična konstanta. Razkriva, kolikokrat je interakcija med naboji v neskončnem homogenem mediju šibkejša kot v vakuumu; ԑ = ԑₐ/ԑ₀ se pogosto imenuje kompleksna dielektrična konstanta. Številčna vrednost količine ԑ₀ in njena dimenzija sta odvisni od izbranega sistema enot; in vrednost ԑ - ni odvisna. Torej, v sistemu SGSE ԑ₀ = 1 (ta četrta osnovna enota); v sistemu SI je dielektrična konstanta vakuuma izražena:
ԑ₀ = 1/(4π˖9˖10⁹) farad/meter = 8,85˖10⁻¹² f/m (v tem sistemu je ԑ₀ izpeljana količina).
VIRTUALNO LABORATORIJSKO DELO št. 3 ON
FIZIKA TRDNE VODE
Navodila za izvajanje laboratorijskega dela št. 3 v oddelku fizike trdne snovi za študente tehnične specialnosti vse oblike izobraževanja
Krasnojarsk 2012
Recenzent
Kandidat fizikalnih in matematičnih znanosti, izredni profesor O.N. Bandurina
(Sibirska državna vesoljska univerza
poimenovan po akademiku M.F. Rešetnjev)
Objavljeno s sklepom metodološke komisije IKT
Določanje dielektrične konstante polprevodnikov. Virtualno laboratorijsko delo št. 3 o fiziki trdne snovi: Navodila za izvajanje laboratorijskega dela št. 3 v oddelku fizike "Solid State" za študente tehnike. specialist. vse oblike izobraževanja / sestavil: A.M. Harkov; Sib. stanje letalstvo univ. – Krasnojarsk, 2012. – 21 str.
Siberian State Aerospace
Univerza poimenovana po akademiku M.F. Reshetneva, 2012
Uvod………………………………………………………………………………………...4
Vpis v laboratorijsko delo………………………………………………………...4
Priprava laboratorijskih vaj na zagovor……………………………………...4
Določanje dielektrične konstante polprevodnikov…………........5
Teorija metode…………………………………………………………………………………..5
Metodologija za merjenje dielektrične konstante…………………..……..11
Obdelava rezultatov meritev………………………..………………………16
Testna vprašanja…………..…………………………………………………….17
Test………………………………………………………………………………….17
Literatura……………………………………………………………………………………20
Dodatek…………………………………………………………………………………………21
UVOD
Te smernice vsebujejo opise laboratorijskih vaj, pri katerih se uporabljajo virtualni modeli iz predmeta Fizika trdne snovi.
Vpis v laboratorijsko delo:
Izvaja učitelj v skupinah z osebnim anketiranjem vsakega učenca. Za sprejem:
1) Vsak študent najprej pripravi svoje osebne zapiske za to laboratorijsko delo;
2) Učitelj individualno preveri oblikovanje zapiskov in postavlja vprašanja o teoriji, merilnih tehnikah, postavitvi in obdelavi rezultatov;
3) Učenec odgovori zastavljena vprašanja;
4) Učitelj študentu omogoči delo in se podpiše na zapiske študenta.
Priprava laboratorijskega dela na zagovor:
Delo, v celoti dokončano in pripravljeno za zagovor, mora izpolnjevati naslednje zahteve:
Izpolnitev vseh točk: vsi izračuni zahtevanih vrednosti, vse tabele izpolnjene s črnilom, vsi narisani grafi itd.
Urniki morajo izpolnjevati vse učiteljeve zahteve.
Za vse vrednosti v tabelah mora biti zapisana ustrezna merska enota.
Zaključki za vsak graf so bili zabeleženi.
Odgovor je bil izpisan v predpisani obliki.
Sklepi na podlagi odgovora so bili zabeleženi.
DOLOČANJE DIELEKTRIČNE KONTINUITETE POLPREVODNIKOV
Teorija metode
Polarizacija je sposobnost dielektrika pod vplivom električno polje polarizirati, tj. spreminjanje lokacije povezanih nabitih dielektričnih delcev v prostoru.
Najpomembnejša lastnost dielektrikov je njihova sposobnost električne polarizacije, tj. pod vplivom električnega polja pride do usmerjenega premika nabitih delcev ali molekul na omejeni razdalji. Pod vplivom električnega polja se naboji v polarnih in nepolarnih molekulah premaknejo.
Več kot ducat jih je različne vrste polarizacija. Oglejmo si nekaj izmed njih:
1. Elektronska polarizacija je premik elektronskih orbit glede na pozitivno nabito jedro. Pojavlja se v vseh atomih katere koli snovi, tj. v vseh dielektrikih. Elektronska polarizacija se vzpostavi v 10 -15 –10 -14 s.
2. Ionska polarizacija– medsebojni premik nasprotno nabitih ionov v snoveh z ionske vezi. Njegov čas vzpostavitve je 10 -13 –10 -12 s. Elektronska in ionska polarizacija sta med trenutnimi ali deformacijskimi vrstami polarizacije.
3. Dipol ali orientacijska polarizacija zaradi usmerjenosti dipolov v smeri električnega polja. Polarni dielektriki imajo dipolno polarizacijo. Njegov čas vzpostavitve je 10 -10 –10 -6 s. Dipolna polarizacija je ena od počasnih ali relaksacijskih vrst polarizacije.
4. Migracijska polarizacija opazimo pri nehomogenih dielektrikih, pri katerih se električni naboji kopičijo na meji območja nehomogenosti. Procesi vzpostavljanja migracijske polarizacije so zelo počasni in lahko potekajo v minutah in celo urah.
5. Ionska relaksacijska polarizacija nastane zaradi čezmernega prenosa šibko vezanih ionov pod vplivom električnega polja na razdalje, ki presegajo konstanto rešetke. Ionska relaksacijska polarizacija se v nekaterih kristalnih snoveh kaže v prisotnosti nečistoč v obliki ionov ali ohlapnega pakiranja kristalne mreže. Njegov čas vzpostavitve je 10 -8 –10 -4 s.
6. Elektronska sprostitvena polarizacija nastane zaradi presežka "defektnih" elektronov ali "lukenj", ki jih vzbuja toplotna energija. Ta vrsta polarizacije praviloma povzroči visoko dielektrično konstanto.
7. Spontana polarizacija– spontana polarizacija, ki se pojavi pri nekaterih snoveh (na primer Rochelle soli) v določenem temperaturnem območju.
8. Elastično-dipolna polarizacija povezana z elastičnim vrtenjem dipolov skozi majhne kote.
9. Preostala polarizacija– polarizacija, ki ostane v nekaterih snoveh (elektreti) še dolgo po odstranitvi električnega polja.
10. Resonančna polarizacija. Če je frekvenca električnega polja blizu naravne frekvence nihanj dipolov, se lahko vibracije molekul povečajo, kar bo povzročilo pojav resonančne polarizacije v dipolnem dielektriku. Resonančno polarizacijo opazimo pri frekvencah, ki ležijo v območju infrardeče svetlobe. Pravi dielektrik ima lahko hkrati več vrst polarizacije. Pojav ene ali druge vrste polarizacije je odvisen od fizikalno-kemijskih lastnosti snovi in obsega uporabljenih frekvenc.
Glavni parametri:
ε – dielektrična konstanta– merilo sposobnosti materiala za polarizacijo; to je količina, ki kaže, kolikokrat je interakcijska sila električni naboji V ta material manj kot v vakuumu. V notranjosti dielektrika se pojavi polje, usmerjeno nasproti zunanjemu.
Zunanja poljska jakost oslabi v primerjavi s poljem istih nabojev v vakuumu za ε-krat, kjer je ε relativna dielektrična konstanta.
Če vakuum med ploščama kondenzatorja nadomestimo z dielektrikom, se zaradi polarizacije kapacitivnost poveča. To je osnova za preprosto definicijo dielektrične konstante:
kjer je C 0 kapacitivnost kondenzatorja, med ploščama katerega je vakuum.
C d je kapacitivnost istega kondenzatorja z dielektrikom.
Dielektrična konstanta ε izotropnega medija je določena z razmerjem:
(2)
kjer je χ dielektrična občutljivost.
D = tan δ – tangens dielektrične izgube
Dielektrične izgube – izgube električne energije, ki jih povzroča pretok tokov v dielektrikih. Razlikujemo med prevodnim tokom I sc.pr, ki nastane zaradi prisotnosti majhnega števila zlahka mobilnih ionov v dielektrikih, in polarizacijskimi tokovi. Pri elektronski in ionski polarizaciji se polarizacijski tok imenuje tok premika I cm; je zelo kratkotrajen in ga instrumenti ne beležijo. Tokovi, povezani s počasnimi (relaksacijskimi) vrstami polarizacije, se imenujejo absorpcijski tokovi I abs. V splošnem primeru je skupni tok v dielektriku določen kot: I = I abs + I sk.pr. Po vzpostavitvi polarizacije bo skupni tok enak: I=I rms. Če v konstantnem polju polarizacijski tokovi nastanejo v trenutku vklopa in izklopa napetosti, skupni tok pa se določi v skladu z enačbo: I = I sk.pr, potem v izmeničnem polju polarizacijski tokovi nastanejo v trenutku, ko spremeni polarnost napetosti. Posledično so lahko izgube v dielektriku v izmeničnem polju znatne, še posebej, če se pol-cikel uporabljene napetosti približuje času vzpostavitve polarizacije.
Na sl. 1(a) prikazuje vezje, ki je enakovredno kondenzatorju z dielektrikom, ki se nahaja v vezju izmenične napetosti. V tem vezju se kondenzator z realnim dielektrikom, ki ima izgube, nadomesti z idealnim kondenzatorjem C z vzporednim aktivnim uporom R. Na sl. Slika 1(b) prikazuje vektorski diagram tokov in napetosti za obravnavano vezje, kjer je U napetost v vezju; I ak – aktivni tok; I р – reaktivni tok, ki je 90 ° pred aktivno komponento v fazi; I ∑ - skupni tok. V tem primeru: I а =I R =U/R in I р =I C =ωCU, kjer je ω krožna frekvenca izmeničnega polja.
riž. 1. (a) – diagram; (b) – vektorski diagram tokov in napetosti
Dielektrični izgubni kot je kot δ, ki do 90° dopolnjuje kot faznega zamika φ med tokom I ∑ in napetostjo U v kapacitivnem vezju. Izgube v dielektrikih v izmeničnem polju so označene s tangensom dielektričnih izgub: tan δ=I a /I r.
Mejne vrednosti tangensa dielektrične izgube za visokofrekvenčne dielektrike ne smejo presegati (0,0001 - 0,0004), za nizkofrekvenčne dielektrike - (0,01 - 0,02).
Odvisnosti ε in tan δ od temperature T in frekvence ω
Dielektrični parametri materialov so v različni meri odvisni od temperature in frekvence. Veliko število dielektričnih materialov nam ne omogoča pokrivanja značilnosti vseh odvisnosti od teh dejavnikov.
Zato je na sl. 2 (a, b) prikazuje splošne trende, značilne za nekatere glavne skupine, tj. Podane so tipične odvisnosti dielektrične konstante ε od temperature T (a) in frekvence ω (b).
riž. 2. Frekvenčna odvisnost realnega (εʹ) in imaginarnega (εʺ) dela dielektrične konstante ob prisotnosti mehanizma orientacijske relaksacije
Kompleksna dielektrična konstanta. V prisotnosti relaksacijskih procesov je priročno zapisati dielektrično konstanto v kompleksni obliki. Če je Debyejeva formula veljavna za polarizabilnost:
(3)
kjer je τ relaksacijski čas, α 0 statistična orientacijska polarizabilnost. Potem, ob predpostavki, da je lokalno polje enako zunanjemu, dobimo (v SGS):
Grafi odvisnosti ε' in εʺ od produkta ωτ so prikazani na sl. 2. Upoštevajte, da pride do zmanjšanja εʹ (realnega dela ε) blizu maksimuma εʺ (imaginarnega dela ε).
Ta potek spreminjanja εʹ in εʺ s frekvenco služi kot pogost primer več skupni rezultat, po katerem εʹ(ω) od frekvence potegne za seboj tudi odvisnost εʺ(ω) od frekvence. V sistemu SI je treba 4π nadomestiti z 1/ε 0.
Pod vplivom uporabljenega polja se molekule v nepolarnem dielektriku polarizirajo in postanejo dipoli z induciranim dipolnim momentom μ in, sorazmerno s poljsko jakostjo:
(5)
V polarnem dielektriku je dipolni moment polarne molekule μ na splošno enak vektorski vsoti lastnega μ 0 in induciranega μ in trenutki:
(6)
Poljske jakosti, ki jih proizvajajo ti dipoli, so sorazmerne z dipolnim momentom in obratno sorazmerne s kubom razdalje.
Za nepolarne materiale je običajno ε = 2 – 2,5 in ni odvisno od frekvence do ω ≈10 12 Hz. Odvisnost ε od temperature je posledica dejstva, da se ob spreminjanju spremenijo linearne dimenzije trdnih snovi ter prostornine tekočih in plinastih dielektrikov, kar spremeni število molekul n na enoto prostornine
in razdalje med njimi. Uporaba relacij, znanih iz teorije dielektrikov F=n\μ in in F=ε 0 (ε - 1)E, kje F– polarizacija materiala, za nepolarne dielektrike imamo:
(7)
Ko je E=const tudi μ in= const in sprememba temperature ε je posledica samo spremembe n, ki je linearna funkcija temperature Θ, je tudi odvisnost ε = ε(Θ) linearna. Za polarne dielektrike ni analitičnih odvisnosti, običajno se uporabljajo empirične.
1) Z naraščanjem temperature se prostornina dielektrika poveča, dielektrična konstanta pa se rahlo zmanjša. Zmanjšanje ε je še posebej opazno v obdobju mehčanja in taljenja nepolarnih dielektrikov, ko se njihov volumen znatno poveča. Glede na visoka frekvenca vrtenje elektronov v orbitah (približno 10 15 –10 16 Hz), je čas za vzpostavitev ravnotežnega stanja elektronske polarizacije zelo kratek in prepustnost ε nepolarnih dielektrikov ni odvisna od frekvence polja v običajno uporabljenem frekvenčnem območju. (do 10 12 Hz).
2) Z naraščanjem temperature vezi med posameznimi ioni oslabijo, kar olajša njihovo interakcijo pod vplivom zunanjega polja in to povzroči povečanje ionske polarizacije in dielektrične konstante ε. Zaradi kratkega časa, ki je potreben za vzpostavitev stanja ionske polarizacije (približno 10 13 Hz, kar ustreza lastni frekvenci ionskih nihanj v kristalna mreža) sprememba frekvence zunanjega polja v običajnih delovnih območjih praktično nima vpliva na vrednost ε v ionskih materialih.
3) Dielektrična konstanta polarnih dielektrikov je močno odvisna od temperature in frekvence zunanjega polja. Z naraščanjem temperature se povečuje mobilnost delcev in zmanjšuje energija interakcije med njimi, tj. njihova orientacija se olajša pod vplivom zunanjega polja - dipolna polarizacija in dielektrična konstanta se povečata. Vendar se ta proces nadaljuje le do določene temperature. Z nadaljnjim zviševanjem temperature se prepustnost ε zmanjšuje. Ker se usmeritev dipolov v smeri polja izvaja v procesu toplotnega gibanja in s toplotnim gibanjem, zahteva vzpostavitev polarizacije precej časa. Ta čas je tako dolg, da se v izmeničnih poljih visoke frekvence dipoli nimajo časa orientirati vzdolž polja in prepustnost ε se zmanjša.
Metodologija merjenja dielektrične konstante
Kapaciteta kondenzatorja. Kondenzator je sistem dveh vodnikov (plošč), ločenih z dielektrikom, katerega debelina je majhna v primerjavi z linearnimi dimenzijami vodnikov. Torej, na primer, dva stanovanja kovinske plošče, ki se nahajajo vzporedno in ločeni z dielektrično plastjo, tvorijo kondenzator (slika 3).
Če imajo plošče ploščatega kondenzatorja naboje enake velikosti in nasprotnih predznakov, bo električna poljska jakost med ploščama dvakrat močnejša od poljske jakosti ene plošče:
(8)
kjer je ε dielektrična konstanta dielektrika, ki zapolnjuje prostor med ploščama.
Fizična količina, določena z razmerjem nabojev q ena od plošč kondenzatorja na potencialno razliko Δφ med ploščama kondenzatorja se imenuje kapacitivnost kondenzatorja:
(9)
Enota SI za električno zmogljivost – Farad(F). Kondenzator s kapaciteto 1 F ima potencialno razliko med ploščama, ki je enaka 1 V, ko se na plošče prenesejo različni naboji 1 C: 1 F = 1 C/1 V.
Kapacitivnost vzporednega ploščatega kondenzatorja. Formulo za izračun električne kapacitete ploščatega kondenzatorja lahko dobimo z izrazom (8). Pravzaprav je poljska jakost: E= φ/εε 0 = q/εε 0 S, Kje S– površina plošče. Ker je polje enakomerno, je potencialna razlika med ploščama kondenzatorja enaka: φ 1 – φ 2 = Ed = qd/εε 0 S, Kje d– razdalja med ploščami. Če zamenjamo formulo (9), dobimo izraz za električno kapaciteto ploščatega kondenzatorja:
(10)
kje ε 0 – dielektrična konstanta zraka; S– območje plošče kondenzatorja, S=hl, Kje h– širina plošče, l– njegova dolžina; d– razdalja med ploščama kondenzatorja.
Izraz (10) kaže, da lahko električno kapaciteto kondenzatorja povečamo s povečanjem površine S njegove pokrove, kar zmanjša razdaljo d med njimi in uporabo dielektrikov z velikimi vrednostmi dielektrične konstante ε.
riž. 3. Kondenzator z dielektrikom, nameščenim vanj
Če med plošči kondenzatorja postavimo dielektrično ploščo, se kapacitivnost kondenzatorja spremeni. Upoštevati je treba možnost namestitve dielektrične plošče med plošči kondenzatorja.
Označimo: d c – debelina zračne reže, d m – debelina dielektrične plošče, l B je dolžina zračnega dela kondenzatorja, l m je dolžina dela kondenzatorja, napolnjenega z dielektrikom, ε m je dielektrična konstanta materiala. Glede na to l = l v + l m, a d = d v + d m, potem lahko te možnosti upoštevamo v naslednjih primerih:
V primeru l v = 0, d pri = 0 imamo kondenzator s trdnim dielektrikom:
(11)
Iz enačb klasične makroskopske elektrodinamike, ki temeljijo na Maxwellovih enačbah, sledi, da ko dielektrik postavimo v šibko izmenično polje, ki se spreminja po harmoničnem zakonu s frekvenco ω, ima kompleksni tenzor prepustnosti obliko:
(12)
kjer je σ optična prevodnost snovi, ε' dielektrična konstanta snovi, povezana s polarizacijo dielektrika. Izraz (12) lahko zmanjšamo na naslednji pogled:
kjer je imaginarni člen odgovoren za dielektrične izgube.
V praksi se meri C - kapacitivnost vzorca v obliki ploščatega kondenzatorja. Za ta kondenzator je značilen tangens dielektrične izgube:
tgδ=ωCR c (14)
ali faktor kakovosti:
Q c =1/tanδ (15)
kjer je R c upor, odvisen predvsem od dielektričnih izgub. Za merjenje teh karakteristik obstaja vrsta metod: različne premostitvene metode, meritve s pretvorbo merjenega parametra v časovni interval itd. .
Pri merjenju kapacitivnosti C in tangensa dielektričnih izgub D = tanδ je to delo uporabilo tehniko, ki jo je razvilo podjetje GOOD WILL INSTRUMENT Co Ltd. Meritve so bile izvedene na natančnem merilniku imitance - LCR-819-RLC. Naprava vam omogoča merjenje kapacitivnosti v območju 20 pF–2,083 mF, tangens izgube v območju 0,0001–9999 in uporabo prednapetostnega polja. Notranja prednapetost do 2 V, zunanja prednapetost do 30 V. Natančnost meritve je 0,05 %. Frekvenca testnega signala 12 Hz -100 kHz.
V tem delu so bile meritve izvedene pri frekvenci 1 kHz v temperaturnem območju 77 K< T < 270 К в нулевом магнитном поле и в поле 5 kOe. Образцы для измерений имели форму параллелепипеда с размерами 2*3*4 мм (х=0.1), где d = 2 мм – толщина образца, площадь грани S = 3*4 мм 2 .
Da bi dobili temperaturne odvisnosti, se celica z vzorcem postavi v tok hladilne tekočine (dušik), ki teče skozi toplotni izmenjevalnik, katerega temperaturo nastavi grelec. Temperaturo grelnika uravnava termostat. Povratne informacije od merilnika temperature do termostata omogoča nastavitev hitrosti merjenja temperature ali njeno stabilizacijo. Za nadzor temperature se uporablja termočlen. Pri tem delu se je temperatura spreminjala s hitrostjo 1 stopinjo/min. Ta metoda vam omogoča merjenje temperature z napako 0,1 stopinje.
Merilno celico s pritrjenim vzorcem postavimo v pretočni kriostat. Celica je povezana z merilnikom LCR z oklopljenimi žicami prek konektorja v pokrovu kriostata. Kriostat je nameščen med poloma elektromagneta FL-1. Magnetno napajanje omogoča pridobitev magnetnih polj do 15 kOe. Za merjenje vrednosti napetosti magnetno polje Uporabljen je toplotno stabiliziran Hallov senzor z elektronsko enoto. Za stabilizacijo magnetnega polja obstaja povratna informacija med napajalnikom in merilnikom magnetnega polja.
Izmerjene vrednosti kapacitivnosti C in tangensa izgube D = tan δ so povezane z vrednostmi želenih fizikalnih veličin εʹ in εʺ z naslednjimi razmerji:
(16)
(17)
| № | C(pF) | Re(ε’) | T (°K) | tan δ | Qc | Im(ε") | ω (Hz) | σ (ω) |
| 3,805 | 71,66 | 0,075 | 13,33 | 5,375 | 10 3 | |||
| 3,838 | 0,093 | |||||||
| 3,86 | 0,088 | |||||||
| 3,849 | 0,094 | |||||||
| 3,893 | 0,106 | |||||||
| 3,917 | 0,092 | |||||||
| 3,951 | 0,103 | |||||||
| 3,824 | 0,088 | |||||||
| 3,873 | 0,105 | |||||||
| 3,907 | 0,108 | |||||||
| 3,977 | 0,102 | |||||||
| 4,031 | 0,105 | |||||||
| 4,062 | 0,132 | |||||||
| 4,144 | 0,109 | |||||||
| 4,24 | 0,136 | |||||||
| 4,435 | 0,175 | |||||||
| 4,553 | 0,197 | |||||||
| 4,698 | 0,233 | |||||||
| 4,868 | 0,292 | |||||||
| 4,973 | 0,361 | |||||||
| 5,056 | 0,417 | |||||||
| 5,164 | 0,491 | |||||||
| 5,246 | 0,552 | |||||||
| 5,362 | 0,624 | |||||||
| 5,453 | 0,703 | |||||||
| 5,556 | 0,783 | |||||||
| 5,637 | 0,867 | |||||||
| 5,738 | 0,955 | |||||||
| 5,826 | 1,04 | |||||||
| 5,902 | 1,136 |
Tabela št. 1. Gd x Mn 1-x S, (x=0,1).
Kot veste, je zrak okoli nas kombinacija več plinov, zato je dober dielektrik. Zlasti zahvaljujoč temu se je v mnogih primerih mogoče izogniti potrebi po organizaciji dodatnih izolacijskih plasti katerega koli materiala okoli prevodnika. Danes bomo govorili o prepustnosti zraka. Toda najprej morda začnimo z opredelitvijo, kaj natančno pomeni izraz "dielektrik".
Vse snovi, odvisno od njihove sposobnosti prevajanja električnega toka, so običajno razdeljene v tri velike skupine: prevodnike, polprevodnike in dielektrike. Prvi zagotavljajo minimalen upor pri usmerjenem prehodu nabitih delcev skozi njih. Njihova največja skupina so kovine (aluminij, baker, železo). Slednji prevajajo tok pod določenimi pogoji (silicij, germanij). No, tretji so tako veliki, da tok ne gre skozi njih. Osupljiv primer- zrak.
Kaj se zgodi, ko snov vstopi v območje delovanja električnega polja? Za prevodnike je odgovor očiten - nastane električni tok (seveda v prisotnosti zaprtega kroga, ki zagotavlja "pot" za delce). To se zgodi zaradi dejstva, da se spremeni način interakcije nabojev. Pri delovanju polja na dielektrični material pride do popolnoma drugačnih procesov. Pri preučevanju interakcije delcev z delci je bilo ugotovljeno, da je moč interakcije odvisna ne le od numerične vrednosti naboja, temveč tudi od medija, ki jih ločuje. to pomembna lastnost imenujemo "dielektrična konstanta snovi". Pravzaprav je to korekcijski faktor, saj nima razsežnosti. Definirana je kot razmerje med vrednostjo interakcijske sile v vakuumu in vrednostjo v katerem koli mediju. Fizični pomen Izraz "dielektrična konstanta" je naslednji: ta vrednost kaže stopnjo oslabitve električnega polja z dielektričnim materialom v primerjavi z vakuumom. Razlog za ta pojav je v dejstvu, da molekule materiala porabljajo energijo polja ne na prevodnost delcev, temveč na polarizacijo.
Znano je, da je zrak enak enotnosti. Je to veliko ali malo? Ugotovimo. Zdaj ni več potrebe po neodvisnem izračunu številčne vrednosti prepustnosti za večino običajnih snovi, saj so vsi ti podatki podani v ustreznih tabelah. Mimogrede, iz podobne tabele je bila vzeta enaka ena. Dielektrična konstanta zraka je skoraj 8-krat manjša kot na primer getinax. Če poznamo to številko, pa tudi vrednost nabojev in razdaljo med njimi, je mogoče izračunati silo njihove interakcije, odvisno od ločitve z zrakom ali getinax ploščo.
Formula za moč je naslednja:
F = (Q1*Q2) / (4* 3,1416* E0*Es*(r*r)),
kjer sta Q1 in Q2 vrednosti naboja; E0 - prepustnost v vakuumu (konstanta enaka 8,86 na potenco -12); E je dielektrična konstanta zraka ("1" ali vrednost za katero koli drugo snov, v skladu s tabelo); r je razdalja med naboji. Vse mere so vzete v skladu s sistemom SI.
Ne smemo zamenjevati dveh različnih konceptov - "magnetna prepustnost zraka" in njegova dielektrična konstanta. Magnetnost je še ena značilnost katere koli snovi, ki prav tako predstavlja koeficient, vendar je njen pomen drugačen - razmerje in vrednosti v določeni snovi. Formule uporabljajo referenčni indikator - magnetno prepustnost za čisti vakuum. Tako prvi kot drugi koncept se uporabljata za izračune različnih električnih naprav.
Vsaka snov ali telo, ki nas obdaja, ima določene električne lastnosti. To je razloženo z molekularno in atomsko zgradbo: prisotnostjo nabitih delcev, ki so v medsebojno vezanem ali prostem stanju.
Ko na snov ne deluje zunanje električno polje, so ti delci razporejeni tako, da se uravnotežijo in ne ustvarjajo dodatnega električnega polja po celotni prostornini. Ko se električna energija uporablja od zunaj, pride do prerazporeditve naboja znotraj molekul in atomov, kar vodi do ustvarjanja lastnega notranjega električnega polja, usmerjenega nasproti zunanjemu.
Če je vektor uporabljenega zunanjega polja označen z "E0", notranje polje pa z "E", potem bo skupno polje "E" vsota energije teh dveh količin.
V elektriki je običajno deliti snovi na:
prevodniki;
dielektriki.
Ta klasifikacija obstaja že dolgo, čeprav je precej poljubna, saj ima veliko teles druge ali kombinirane lastnosti.
Dirigenti
Mediji, ki imajo brezplačne naboje, delujejo kot prevodniki. Najpogosteje kovine delujejo kot prevodniki, saj njihova struktura vedno vsebuje proste elektrone, ki se lahko gibljejo po celotnem volumnu snovi in so hkrati udeleženci v toplotnih procesih.
Ko je prevodnik izoliran od delovanja zunanjih električnih polj, se v njem iz ionskih mrež in prostih elektronov ustvari ravnotežje pozitivnih in negativnih nabojev. To ravnovesje se takoj poruši, ko je uvedeno - zahvaljujoč energiji, ki se začne prerazporeditev nabitih delcev in nastanejo neuravnoteženi naboji pozitivnih in negativnih količin. zunanjo površino.
Ta pojav se običajno imenuje elektrostatična indukcija. Naboji, ki nastanejo na površini kovin, se imenujejo indukcijski naboji.
Induktivni naboji, ki nastanejo v prevodniku, tvorijo lastno polje E, ki kompenzira učinek zunanjega E0 znotraj prevodnika. Zato je vrednost skupnega, celotnega elektrostatičnega polja kompenzirana in enaka 0. V tem primeru so potenciali vseh točk. tako znotraj kot zunaj sta enaka.
Iz tega izhaja sklep, da znotraj prevodnika, tudi če je priključeno zunanje polje, ni potencialne razlike in elektrostatičnih polj. To dejstvo se uporablja pri zaščiti - uporabi metode elektrostatične zaščite ljudi in električne opreme, občutljive na inducirana polja, zlasti visoko natančnih merilnih instrumentov in mikroprocesorske opreme.
Zaščitna oblačila in obutev iz tkanin s prevodnimi nitmi, vključno s pokrivali, se uporabljajo v energetiki za zaščito osebja, ki dela v pogojih povečane napetosti, ki jo povzroča visokonapetostna oprema.
Dielektriki
To je ime za snovi, ki imajo izolacijske lastnosti. Vsebujejo le medsebojno povezane stroške in ne brezplačnih stroškov. Za njih so vsi pozitivni in negativni delci skupaj znotraj nevtralnega atoma in jim je odvzeta svoboda gibanja. Porazdeljeni so znotraj dielektrika in se ne premikajo pod vplivom zunanjega polja E0.
Vendar pa njegova energija še vedno povzroča določene spremembe v strukturi snovi - znotraj atomov in molekul se razmerje pozitivnih in negativni delci, na površini snovi pa se pojavijo odvečni, neuravnoteženi vezani naboji, ki tvorijo notranje električno polje E." Usmerjeno je nasprotno zunanji napetosti.
Ta pojav se imenuje dielektrična polarizacija. Zanj je značilno, da se znotraj snovi pojavi električno polje E, ki nastane zaradi delovanja zunanje energije E0, vendar oslabljeno zaradi protidelovanja notranje E.«
Vrste polarizacije
Znotraj dielektrikov je dveh vrst:
1. orientacija;
2. elektronski.
Prvi tip ima dodatno ime dipolna polarizacija. To je lastno dielektrikom s premaknjenimi središči negativnih in pozitivnih nabojev, ki tvorijo molekule iz mikroskopskih dipolov - nevtralne kombinacije dveh nabojev. To je značilno za vodo, dušikov dioksid in vodikov sulfid.
Brez delovanja zunanjega električnega polja so molekularni dipoli takih snovi usmerjeni na kaotičen način pod vplivom obstoječih temperaturnih procesov. V tem primeru na nobeni točki v notranji prostornini in na zunanji površini dielektrika ni električnega naboja.
Ta slika se spremeni pod vplivom zunanje uporabljene energije, ko dipoli rahlo spremenijo svojo orientacijo in se na površini pojavijo regije nekompenziranih makroskopskih vezanih nabojev, ki tvorijo polje E" z nasprotno smerjo od uporabljenega E0.
S takšno polarizacijo velik vpliv na procese vpliva temperatura, ki povzroča toplotno gibanje in ustvarja dejavnike dezorientacije.
Elektronska polarizacija, elastični mehanizem
Kaže se v nepolarnih dielektrikih - materialih drugačne vrste z molekulami brez dipolni moment, ki se pod vplivom zunanjega polja deformirajo tako, da so pozitivni naboji usmerjeni v smeri vektorja E0, negativni pa v nasprotni smeri.
Posledično vsaka od molekul deluje kot električni dipol, usmerjen vzdolž osi uporabljenega polja. Na ta način ustvarijo lastno polje E" na zunanji površini v nasprotni smeri.
V takih snoveh deformacija molekul in posledično polarizacija pod vplivom zunanjega polja nista odvisna od njihovega gibanja pod vplivom temperature. Primer nepolarnega dielektrika je metan CH4.
Numerična vrednost notranjega polja obeh vrst dielektrikov se sprva spreminja premosorazmerno s povečanjem zunanjega polja, nato pa se, ko je dosežena nasičenost, pojavijo nelinearni učinki. Pojavijo se, ko so vsi molekularni dipoli poravnani vzdolž poljskih linij polarnih dielektrikov ali pa je prišlo do sprememb v strukturi nepolarne snovi zaradi močne deformacije atomov in molekul zaradi velike zunanje dovedene energije.
V praksi se takšni primeri redko zgodijo - običajno najprej pride do okvare ali okvare izolacije.
Prepustnost
Med izolacijskimi materiali pomembno vlogo je podana električnim karakteristikam in indikatorjem, kot npr prepustnost. Lahko ga ocenimo z dvema različnima karakteristikama:
1. absolutna vrednost;
2. relativna velikost.
Izraz absolutna dielektrična konstanta snovi εa se uporabljajo pri sklicevanju na matematični zapis Coulombovega zakona. V obliki koeficienta εa povezuje vektor indukcije D in napetost E.
Zapomnimo si to francoski fizik Charles de Coulomb je z uporabo lastnih torzijskih tehtnic raziskoval vzorce električnih in magnetnih sil med majhnimi nabitimi telesi.
Določitev relativne dielektrične konstante medija se uporablja za karakterizacijo izolacijskih lastnosti snovi. Ocenjuje razmerje interakcijske sile med dvema točkastima nabojema na dva različni pogoji: v vakuumu in delovnem okolju. V tem primeru so indikatorji vakuuma vzeti kot 1 (εv=1), pri realnih snoveh pa so vedno višji, εr>1.
Numerični izraz εr je prikazan kot brezdimenzijska količina, razložen s polarizacijskim učinkom dielektrikov in se uporablja za vrednotenje njihovih lastnosti.
Vrednosti dielektrične konstante posameznih medijev(pri sobni temperaturi)
| Snov | ε | Snov | ε |
| Rochelle sol | 6000 | Diamant | 5,7 |
| Rutil (vzdolž optične osi) | 170 | voda | 81 |
| Polietilen | 2,3 | Etilni alkohol | 26,8 |
| Silicij | 12,0 | Mica | 6 |
| Steklo | 5-16 | Ogljikov dioksid | 1,00099 |
| NaCl | 5,26 | vodna para | 1,0126 |
| Benzen | 2,322 | Zrak (760 mmHg) | 1,00057 |
Električna prepustnost
Električna prepustnost je vrednost, ki označuje kapacitivnost dielektrika, nameščenega med ploščama kondenzatorja. Kot je znano, je kapacitivnost ploščatega kondenzatorja odvisna od površine plošč (od večja površina plošče, večja je kapacitivnost), razdalja med ploščami ali debelina dielektrika (debelejši kot je dielektrik, manjša je kapacitivnost), pa tudi na dielektrični material, katerega značilnost je električna prepustnost.
Številčno je električna prepustnost enaka razmerju kapacitivnosti kondenzatorja s katerim koli dielektrikom istega zračnega kondenzatorja. Za ustvarjanje kompaktnih kondenzatorjev je potrebna uporaba dielektrikov z visoko električno prepustnostjo. Električna prepustnost večine dielektrikov je več enot.
V tehnologiji so bili pridobljeni dielektriki z visoko in ultravisoko električno prepustnostjo. Njihov glavni del je rutil (titanov dioksid).
Slika 1. Električna prepustnost medija
Dielektrični izgubni kot
V članku "Dielektriki" smo si ogledali primere vključitve dielektrika v tokokroge DC in AC. Izkazalo se je, da se v pravem dielektriku, ko deluje v električnem polju, ki ga tvori izmenična napetost, sprošča toplotna energija. Absorbirana moč v tem primeru se imenuje dielektrične izgube. V članku "Kapacitivno vezje izmeničnega toka" bo dokazano, da v idealnem dielektriku kapacitivni tok vodi napetost za kot, manjši od 90 °. V pravem dielektriku kapacitivni tok vodi napetost pod kotom, manjšim od 90°. Na zmanjšanje kota vpliva tok uhajanja, sicer imenovan prevodni tok.
Razlika med 90° in kotom premika med napetostjo in tokom, ki poteka v tokokrogu s pravim dielektrikom, se imenuje dielektrični izgubni kot ali izgubni kot in je označen z δ (delta). Pogosteje se ne določi sam kot, ampak tangenta tega kota -tan δ.
Ugotovljeno je bilo, da so dielektrične izgube sorazmerne s kvadratom napetosti, frekvenco izmeničnega toka, kapacitivnostjo kondenzatorja in tangensom kota dielektričnih izgub.
Posledično večji kot je tangens dielektričnih izgub, tan δ, večja kot je izguba energije v dielektriku, slabši je dielektrični material. Materiali z relativno velikim tg δ (reda 0,08 - 0,1 ali več) so slabi izolatorji. Materiali z relativno majhnim tan δ (približno 0,0001) so dobri izolatorji.