Elektros pralaidumas
Pralaidumas yra dydis, apibūdinantis dielektriko, esančio tarp kondensatoriaus plokščių, talpą. Kaip žinote, plokščio kondensatoriaus talpa priklauso nuo plokščių ploto dydžio (nei didesnis plotas plokštės, tuo didesnė talpa), atstumas tarp plokščių arba dielektriko storis (kuo storesnis dielektrikas, tuo mažesnė talpa), taip pat iš dielektriko medžiagos, kurios charakteristika yra elektros pralaidumas.
Skaitmeniniu požiūriu elektros pralaidumas yra lygus kondensatoriaus talpos santykiui su tam tikru dielektriku oro kondensatorius... Norint sukurti kompaktiškus kondensatorius, būtina naudoti dielektrikus su dideliu elektros pralaidumu. Daugumos dielektrikų elektros pralaidumas yra keli vienetai.
Technologijoje buvo gauti dielektrikai, turintys aukštą ir ypač aukštą elektros pralaidumą. Dauguma jų yra rutilis (titano dioksidas).
1 pav. Terpės elektrinis pralaidumas
Dielektrinių nuostolių kampas
Straipsnyje „Dielektrikai“ nagrinėjome dielektriko įtraukimo į nuolatinės ir kintamosios srovės grandinę pavyzdžius. Paaiškėjo, kad kai tikras dielektrikas dirba kintamos įtampos suformuotame elektriniame lauke, išsiskiria šiluminė energija. Šiuo atveju sugeriama galia vadinama dielektriniais nuostoliais. Straipsnyje „Kintamosios srovės grandinė, kurioje yra talpa“ bus įrodyta, kad idealioje dielektrikoje talpinė srovė veda įtampą mažesniu nei 90 ° kampu. Tikrame dielektrike talpinė srovė veda įtampą mažesniu nei 90 ° kampu. Kampo sumažėjimui įtakos turi nuotėkio srovė, kitaip vadinama laidumo srove.
Skirtumas tarp 90 ° ir šlyties kampo tarp įtampos ir srovės, tekančios grandinėje su tikru dielektriku, vadinamas dielektrinio nuostolio kampu arba nuostolių kampu ir žymimas δ (delta). Dažniau nustatomas ne pats kampas, o šio kampo liestinė -tg δ.
Nustatyta, kad dielektriniai nuostoliai yra proporcingi įtampos kvadratui, kintamosios srovės dažniui, kondensatoriaus talpai ir dielektrinių nuostolių kampo liestinei.
Taigi, kuo didesnis dielektrinių nuostolių tangentas, tan δ, tuo didesni energijos nuostoliai dielektrike, tuo blogesnė dielektrinė medžiaga. Medžiagos, turinčios gana aukštą įdegį δ (maždaug 0,08 - 0,1 ir daugiau), yra prastos izoliacijos. Medžiagos, turinčios palyginti mažą įdegį δ (maždaug 0,0001), yra geros izoliacijos.
Kaip rodo patirtis, kondensatoriaus talpa priklauso ne tik nuo jo sudedamųjų laidininkų dydžio, formos ir tarpusavio išdėstymo, bet ir nuo dielektriko savybių, užpildančių tarpą tarp šių laidininkų. Dielektriko įtaką galima nustatyti naudojant šį eksperimentą. Įkraukime plokščią kondensatorių ir stebėkime elektrometro, kuris matuoja įtampą per kondensatorių, rodmenis. Tada į kondensatorių įstumkime neįkrautą ebonito plokštę (63 pav.). Pamatysime, kad potencialus skirtumas tarp plokščių pastebimai sumažės. Jei ebonitas pašalinamas, elektrometro rodmenys išlieka tie patys. Tai rodo, kad pakeitus orą ebonitu, padidėja kondensatoriaus talpa. Paėmę kokį nors kitą dielektriką vietoj ebonito, gauname panašų rezultatą, tačiau tik kondensatoriaus talpos pokytis bus kitoks. Jei yra kondensatoriaus, tarp kurio plokštelių yra vakuumas, talpa ir yra to paties kondensatoriaus talpa, kai visa erdvė tarp plokščių yra užpildyta be oro tarpų, naudojant tam tikrą dielektriką, tada talpa bus kelis kartus didesnis už talpą, kur tai priklauso tik nuo dielektriko pobūdžio. Taigi galima rašyti
Ryžiai. 63. Kondensatoriaus talpa padidėja, kai ebonito plokštė įstumiama tarp jos plokščių. Elektrometro lapai nukrenta, nors krūvis išlieka tas pats
Kiekis vadinamas santykinė dielektrinė konstanta arba tiesiog terpės dielektrinė konstanta, užpildanti erdvę tarp kondensatoriaus plokščių. Lentelė 1 parodytos kai kurių medžiagų dielektrinės konstantos vertės.
1 lentelė. Kai kurių medžiagų dielektrinė konstanta
|
Medžiaga |
|
|
Vanduo (švarus) |
|
|
Keramika (radijo inžinerija) |
|
Tai, kas pasakyta, tinka ne tik plokščiam kondensatoriui, bet ir bet kokios formos kondensatoriui: pakeisdami orą kokiu nors dielektriku, mes kelis kartus padidiname kondensatoriaus talpą.
Griežtai tariant, kondensatoriaus talpa padidėja kelis kartus tik tuo atveju, jei visos lauko linijos, einančios iš vienos plokštės į kitą, praeina tam tikru dielektriku. Tai bus, pavyzdžiui, kondensatoriui, kuris yra visiškai panardintas į tam tikrą dielektrinį skystį, supiltą į didelį indą. Tačiau jei atstumas tarp plokščių yra mažas, palyginti su jų matmenimis, galime daryti prielaidą, kad pakanka užpildyti tik tarpą tarp plokščių, nes būtent čia kondensatoriaus elektrinis laukas yra praktiškai sutelktas. Taigi, plokščiam kondensatoriui pakanka dielektriku užpildyti tik tarpą tarp plokščių.
Įdėjus medžiagą su didele dielektrine konstanta tarp plokščių, galima žymiai padidinti kondensatoriaus talpą. Tai naudojama praktikoje ir paprastai kondensatoriaus dielektriku pasirenkamas ne oras, o stiklas, parafinas, žėrutis ir kitos medžiagos. Fig. 64 parodytas techninis kondensatorius, kuriame dielektrikas yra parafinu impregnuota popierinė juosta. Jo dangteliai yra lakštinio metalo, iš abiejų pusių prispausti prie vaškuoto popieriaus. Tokių kondensatorių talpa dažnai pasiekia keletą mikrofaradų. Taigi, pavyzdžiui, mėgėjų radijo kondensatorius degtukų dėžutė turi 2 μF talpą.
Ryžiai. 64. Techninis plokščias kondensatorius: a) surinktas; b) iš dalies išardytas: 1 ir 1 "- staniole juostelės, tarp kurių dedamos vaškuoto plono popieriaus juostos 2. Visos juostos sulankstomos" akordeonu "ir dedamos į metalinę dėžę. 3 ir 3" kontaktai prilituoti prie juostos 1 ir 1 ", kad į grandinę būtų įtrauktas kondensatorius
Akivaizdu, kad kondensatoriui gaminti tinka tik dielektrikai, turintys labai geras izoliacines savybes. Priešingu atveju krūviai tekės per dielektriką. Todėl vanduo, nepaisant didelės dielektrinės konstantos, visai netinka kondensatoriams gaminti, nes tik itin kruopščiai išgrynintas vanduo yra pakankamai geras dielektrikas.
Jei tarpas tarp plokščio kondensatoriaus plokščių yra užpildytas terpe su dielektrine konstanta, tada plokščio kondensatoriaus formulė (34.1) yra tokia
Tai, kad kondensatoriaus talpa priklauso nuo aplinkos, rodo, kad dielektrikų viduje esantis elektrinis laukas keičiasi. Mes matėme, kad užpildant kondensatorių dielektriku su dielektrine konstanta, talpa padidėja kelis kartus. Tai reiškia, kad esant vienodiems krūviams plokštelėse, potencialus skirtumas tarp jų sumažėja kelis kartus. Tačiau potencialų skirtumas ir lauko stipris yra tarpusavyje susiję (30.1). Todėl potencialo skirtumo sumažėjimas reiškia, kad lauko stipris kondensatoriuje, kai jis užpildytas dielektriku, sumažėja kelis kartus. Tai yra priežastis, dėl kurios padidėja kondensatoriaus talpa. kartų mažiau nei vakuume. Iš to darome išvadą, kad Kulono dėsnis (10.1) dėl taškinių krūvių, dedamų į dielektriką, turi formą
VIRTUALINIS LABORATORINIS DARBAS Nr. 3 PROGRAMINĖ ĮRANGA
KIETO KŪNO FIZIKA
Metodinės diegimo instrukcijos laboratoriniai darbai 3 dėl fizikos skyriaus „Kietoji kūnas“ visų formų ugdymo techninių specialybių studentams
Krasnojarskas 2012 m
Recenzentas
Fizinių ir matematinių mokslų kandidatas, docentas O.N. Bandurina
(Sibiro valstybinis aviacijos ir kosmoso universitetas
pavadintas akademiko M.F. Rešetnevas)
Paskelbta IRT metodinės komisijos sprendimu
Puslaidininkių dielektrinės konstantos nustatymas. Virtualus laboratorinis darbas Nr. 3 dėl kietojo kūno fizikos: Metodinės instrukcijos, kaip atlikti fizikos skyriaus „Kietoji kūnas“ laboratorijos darbus Nr. 3 technikos studentams. specialistas. visos švietimo formos / sud.: A.M. Charkovas; Sib. būsena aviacija un-t. - Krasnojarskas, 2012 m.- 21 p.
Sibiro valstijos aviacija
Universitetas pavadintas akademiko M.F. Rešetnevas, 2012 m
Įvadas ………………………………………………………………………… ... 4
Priėmimas į laboratorinius darbus …………………………………………… ... 4
Laboratorinių darbų registravimas siekiant apsaugoti ......................................................................................... 4
Puslaidininkių dielektrinės konstantos nustatymas ………… ........ 5
Metodo teorija ……………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… 5
Dielektrinio pastovaus matavimo technika ………………… .. …… ..11
Matavimo rezultatų apdorojimas ……………………… .. ……………………… 16
Testiniai klausimai ………… .. …………………………………………… .17
Bandymas …………………………………………………………………………… .17
Nuorodos ……………………………………………………………… 20
Priedas ………………………………………………………………………… 21
ĮVADAS
Duomenys Gairės pateikiami laboratorinių darbų, kuriuose naudojami virtualūs kurso „Kietojo kūno fizika“ modeliai, aprašymai.
Priėmimas į laboratorinius darbus:
Veda mokytojas grupėse su asmenine kiekvieno mokinio apklausa. Priėmimui:
1) Kiekvienas studentas iš anksto parengia savo asmeninę šio laboratorinio darbo santrauką;
2) Mokytojas individualiai tikrina santraukos dizainą ir užduoda klausimus apie teoriją, matavimo techniką, rezultatų įdiegimą ir apdorojimą;
3) Mokinys atsako užduoti klausimai;
4) Mokytojas leidžia mokiniui dirbti ir savo parašą įdeda į mokinio suvestinę.
Laboratorinių darbų registracija apsaugai:
Visiškai baigtas ir paruoštas gynybos darbams turi atitikti šiuos reikalavimus:
Visų taškų įvykdymas: visi reikiamų verčių skaičiavimai, visos lentelės užpildytos rašalu, sudarytos visos grafikos ir kt.
Tvarkaraštis turi atitikti visus mokytojo reikalavimus.
Visoms lentelėse nurodytoms vertėms turi būti užrašytas atitinkamas matavimo vienetas.
Kiekvieno grafiko išvados įrašomos.
Atsakymas buvo parašytas nustatyta forma.
Atsakymo išvados įrašomos.
PUSMONDUKTORIŲ DIELEKTRINIO LAIDUMO NUSTATYMAS
Metodo teorija
Poliarizacija Ar dielektriko gebėjimas poliarizuotis veikiant elektriniam laukui, t.y. erdvės pasikeitimas surištų įkrautų dielektrinių dalelių išdėstymas.
Svarbiausias turtas dielektrikai yra jų gebėjimas elektriškai poliarizuotis, t.y. veikiant elektriniam laukui, ribotą atstumą įvyksta nukreiptas įkrautų dalelių ar molekulių poslinkis. Veikiant elektriniam laukui, krūviai pasislenka tiek polinėse, tiek nepolinėse molekulėse.
Jų yra per keliolika skirtingi tipai poliarizacija. Pažvelkime į kai kuriuos iš jų:
1. Elektroninė poliarizacija Ar elektronų orbitų poslinkis teigiamai įkrauto branduolio atžvilgiu. Jis atsiranda visuose bet kurios medžiagos atomuose, t.y. visose dielektrikose. Elektroninė poliarizacija nustatoma per 10–15–10–14 s.
2. Joninė poliarizacija- priešingai įkrautų jonų poslinkis vienas kito atžvilgiu medžiagose su joninėmis jungtimis. Įkūrimo laikas yra 10-13-10-12 s. Elektroninė ir joninė poliarizacija yra momentinės arba deformacinės poliarizacijos rūšys.
3. Dipolis arba orientacijos poliarizacija dėl dipolių orientacijos elektrinio lauko kryptimi. Poliniai dielektrikai turi dipolinę poliarizaciją. Įkūrimo laikas yra 10-10-10-6 s. Dipolinė poliarizacija yra lėta arba atpalaiduojanti poliarizacijos rūšis.
4. Migracijos poliarizacija pastebėta nevienalyčiuose dielektrikuose, kuriuose elektros krūviai kaupiami ties nehomogeniškumo atkarpos riba. Migracinės poliarizacijos nustatymo procesai yra labai lėti ir gali trukti minutes ar net valandas.
5. Jonų atsipalaidavimo poliarizacija sukelia pernelyg silpnai susietų jonų perkėlimas veikiant elektriniam laukui atstumais, viršijančiais gardelės konstantą. Jonų atsipalaidavimo poliarizacija pasireiškia kai kuriomis kristalinėmis medžiagomis, kai yra priemaišų jonų pavidalu arba birios kristalinės gardelės pakuotės. Jos įkūrimo laikas yra 10 -8 -10 -4 s.
6. Elektroninė atsipalaidavimo poliarizacija atsiranda dėl perteklinių „sugedusių“ elektronų ar „skylių“, sužadintų šilumos energijos. Šio tipo poliarizacija paprastai sukelia didelę dielektrinę konstantą.
7. Savaiminė poliarizacija- savaiminė poliarizacija, atsirandanti kai kuriose medžiagose (pavyzdžiui, Rochelle druskoje) tam tikrame temperatūros intervale.
8. Elastinio dipolio poliarizacija susijęs su elastingu dipolių sukimu mažais kampais.
9. Likusi poliarizacija- poliarizacija, kuri kai kuriose medžiagose (elektretuose) išlieka ilgą laiką pašalinus elektrinį lauką.
10. Rezonansinė poliarizacija... Jei elektrinio lauko dažnis yra artimas natūraliam dipolių vibracijų dažniui, tada molekulių vibracija gali padidėti, o tai sukels rezonansinę poliarizaciją dipolio dielektrike. Rezonansinė poliarizacija stebima dažniuose, esančiuose infraraudonųjų spindulių srityje. Tikras dielektrikas vienu metu gali turėti kelių tipų poliarizaciją. Tam tikros rūšies poliarizacijos išvaizdą lemia fizinės ir cheminės savybės medžiagos ir naudojamų dažnių diapazonas.
Pagrindiniai parametrai:
ε - dielektrinė konstanta- medžiagos gebėjimo poliarizuoti matas; tai vertė, rodanti, kiek kartų tam tikros medžiagos elektros krūvių sąveikos jėga yra mažesnė nei vakuume. Dielektriko viduje atsiranda laukas, priešingas išoriniam.
Išorinio lauko stiprumas, palyginti su tų pačių krūvių lauku vakuume, susilpnėja ε koeficientu, kur ε yra santykinis pralaidumas.
Jei vakuumą tarp kondensatoriaus plokščių pakeičia dielektrikas, tada dėl poliarizacijos talpa padidėja. Paprastas dielektrinės konstantos apibrėžimas grindžiamas tuo:
kur C 0 yra kondensatoriaus talpa, tarp kurios plokščių yra vakuumas.
C d - to paties kondensatoriaus su dielektriku talpa.
Dielektrinė konstanta Izotropinės terpės ε nustatomas pagal santykį:
(2)
kur χ yra dielektrinis jautrumas.
D = tan δ - dielektrinių nuostolių liestinė
Dielektriniai nuostoliai - nuostoliai elektros energija sukeltas srovių srauto dielektrikuose. Atskirkite srovę per laidumą I sk.pr, kurią sukelia nedidelis lengvai judančių jonų skaičius dielektrikuose, ir poliarizacijos srovės. Esant elektroninei ir joninei poliarizacijai, poliarizacijos srovė vadinama poslinkio srove I cm, ji labai trumpalaikė ir nėra fiksuojama prietaisais. Srovės, susijusios su uždelstais (atsipalaidavimo) poliarizacijos tipais, vadinamos absorbcijos srovėmis I abs. V bendras atvejis visa dielektriko srovė apibrėžiama taip: I = I abs + I sk.pr. Nustačius poliarizaciją, bendra srovė bus lygi: I = I sk.pr. Jei esant pastoviam laukui poliarizacijos srovės atsiranda įjungiant ir išjungiant įtampą, o bendra srovė nustatoma pagal lygtį: I = I sk.pr, tada kintamojo lauko poliarizacijos srovės atsiranda tuo momentu, kai įtampos poliškumo keitimas. Dėl to dielektriko nuostoliai kintamame lauke gali būti reikšmingi, ypač jei pusės įtampos laikotarpis artėja prie poliarizacijos nusistovėjimo laiko.
Fig. 1 (a) parodyta grandinė, lygiavertė kondensatoriui su dielektriku kintamosios įtampos grandinėje. Šioje grandinėje kondensatorius su tikru dielektriku, kuris turi nuostolių, pakeičiamas idealiu kondensatoriumi C, kurio aktyvioji varža lygiagrečiai prijungta. 1 (b) pavaizduota nagrinėjamos grandinės srovių ir įtampų vektorinė diagrama, kur U yra įtampa grandinėje; I ak - aktyvi srovė; I p - reaktyvi srovė, kuri 90 ° lenkia fazėje aktyvųjį komponentą; I ∑ - bendra srovė. Šiuo atveju: I a = I R = U / R ir I p = I C = ωCU, kur ω - kintamojo lauko apskritas dažnis.
Ryžiai. 1. a) - diagrama; (b) - srovių ir įtampų vektorinė diagrama
Dielektrinių nuostolių kampas vadinamas kampu δ, kuris papildo fazės poslinkio kampą φ tarp srovės I ∑ ir įtampos U talpinėje grandinėje iki 90 °. Dielektrikos nuostoliai kintamame lauke apibūdinami dielektrinio nuostolių kampo liestine: tan δ = I a / I p.
Aukšto dažnio dielektrikų dielektrinio nuostolių kampo tangento ribinės vertės neturėtų viršyti (0,0001 - 0,0004), o žemo dažnio - (0,01 - 0,02).
Ε ir tan δ priklausomybės nuo temperatūros T ir dažnio ω
Medžiagų dielektriniai parametrai įvairaus laipsnio priklauso nuo temperatūros ir dažnio. Didelis skaičius dielektrinės medžiagos neleidžia aprėpti visų priklausomybių nuo šių veiksnių savybių.
Todėl fig. 2 (a, b) parodyti bendros tendencijos būdingas kai kurioms pagrindinėms grupėms, t.y. pateikiamos tipinės dielektrinės konstantos ε priklausomybės nuo temperatūros T (a) ir dažnio ω (b).
Ryžiai. 2. Tikrosios (εʹ) ir įsivaizduojamosios (εʺ) dielektrinės konstantos dalių priklausomybė nuo dažnio, esant orientaciniam atsipalaidavimo mechanizmui
Sudėtinga dielektrinė konstanta. Esant atsipalaidavimo procesams, dielektrinę konstantą patogu rašyti sudėtinga forma. Jei „Debye“ formulė tinka poliarizacijai:
(3)
kur τ yra atsipalaidavimo laikas, α 0 yra statistinis orientacinis poliarizuotumas. Tada, darant prielaidą, kad vietinis laukas yra lygus išoriniam, gauname (CGS):
Εʹ ir εʺ priklausomybės nuo sandaugos ωτ grafikai pavaizduoti Fig. 2. Atkreipkite dėmesį, kad εʹ (tikroji ε dalis) sumažėjimas vyksta arti maksimumo εʺ (įsivaizduojama ε dalis).
Toks εʹ ir εʺ kintamumo dažniu dažnis tarnauja kaip dažnas pavyzdys bendresnis rezultatas, pagal kurį εʹ (ω) nuo dažnio reiškia ir εʺ (ω) priklausomybę nuo dažnio. SI sistemoje 4π turėtų būti pakeistas 1 / ε 0.
Veikiant taikomam laukui, poliarizuoto dielektriko molekulės yra poliarizuotos ir tampa dipoliais, kurių sukeltas dipolio momentas μ ir proporcingas lauko stiprumui:
(5)
Poliariniame dielektrike polinės molekulės μ dipolio momentas paprastai yra lygus vidinės μ 0 ir sukeltos μ vektorinei sumai ir akimirkos:
(6)
Šių dipolių sukurto lauko stiprybės yra proporcingos dipolio momentui ir atvirkščiai proporcingos atstumo kubui.
Ne polinėms medžiagoms paprastai ε = 2 - 2,5 ir nepriklauso nuo dažnio iki ω ≈ 10 12 Hz. Ε priklausomybė nuo temperatūros atsiranda dėl to, kad kai ji kinta, keičiasi tiesiniai kietosios medžiagos matmenys ir skysčio bei dujinio dielektriko tūriai, o tai keičia molekulių skaičių n tūrio vienete
ir atstumas tarp jų. Naudojant iš dielektrikų teorijos žinomus ryšius F = n \μ ir ir F =ε 0 (ε - 1) E, kur F- medžiagos poliarizacija, skirta ne poliniams dielektrikams:
(7)
E = const taip pat μ ir= const ir temperatūros pokytis ε atsiranda tik dėl n pasikeitimo, kuris yra linijinė funkcija temperatūra Θ, priklausomybė ε = ε (Θ) taip pat yra tiesinė. Poliniams dielektrikams nėra analitinių priklausomybių, dažniausiai naudojamos empirinės.
1) Didėjant temperatūrai, dielektriko tūris didėja, o dielektrinė konstanta šiek tiek mažėja. Ε sumažėjimas ypač pastebimas nepolinių dielektrikų minkštėjimo ir lydymosi laikotarpiu, kai jų tūris žymiai padidėja. Dėl didelio elektronų apsisukimų dažnio orbitose (maždaug 10 15–10 16 Hz), elektroninės poliarizacijos pusiausvyros būsenos nustatymo laikas yra labai trumpas, o nepolinių dielektrikų pralaidumas ε nepriklauso nuo lauko dažnis dažniausiai naudojamame dažnių diapazone (iki 10 12 Hz).
2) Kylant temperatūrai, ryšiai tarp atskirų jonų silpnėja, o tai palengvina jų sąveiką veikiant išoriniam laukui ir dėl to padidėja jonų poliarizacija ir dielektrinė konstanta ε. Atsižvelgiant į trumpą laiką, reikalingą jonų poliarizacijos būsenai nustatyti (maždaug 10 13 Hz, o tai atitinka natūralų jonų vibracijos dažnį kristalinė gardelė) išorinio lauko dažnio pasikeitimas įprastuose veikimo diapazonuose praktiškai neturi įtakos ε reikšmei joninėse medžiagose.
3) Polinių dielektrikų dielektrinė konstanta stipriai priklauso nuo išorinio lauko temperatūros ir dažnio. Kylant temperatūrai, didėja dalelių mobilumas ir mažėja jų tarpusavio sąveikos energija, t.y. jų orientacija tampa lengvesnė veikiant išoriniam laukui - didėja dipolinė poliarizacija ir dielektrinė konstanta. Tačiau šis procesas tęsiasi tik iki tam tikros temperatūros. Toliau didėjant temperatūrai, pralaidumas ε mažėja. Kadangi procese atliekama dipolių orientacija lauko kryptimi šiluminis judėjimas o terminiam judėjimui poliarizacijos nustatymas užima daug laiko. Šis laikas yra toks ilgas, kad kintamieji laukai aukšto dažnio dipoliai neturi laiko orientuotis lauke, o pralaidumas ε mažėja.
Dielektrinio pastovaus matavimo technika
Kondensatoriaus talpa. Kondensatorius Ar dviejų laidininkų (plokščių), atskirtų dielektriku, sistema, kurios storis yra mažas, palyginti su linijiniais laidininkų matmenimis. Taigi, pavyzdžiui, dvi lygios metalinės plokštės, esančios lygiagrečiai ir atskirtos dielektriniu sluoksniu, sudaro kondensatorių (3 pav.).
Jei plokščiojo kondensatoriaus plokštėms yra vienodo dydžio priešingo ženklo krūviai, tada elektrinis lauko stipris tarp plokščių bus dvigubai didesnis nei vienos plokštės lauko stipris:
(8)
kur ε yra dielektriko dielektrinė konstanta, užpildanti erdvę tarp plokščių.
Fizinis kiekis nustatomas pagal įkrovos santykį q vadinama viena iš kondensatoriaus plokščių iki potencialų skirtumo Δφ tarp kondensatoriaus plokščių kondensatoriaus elektros talpa:
(9)
Elektros talpos vienetas SI - Faradas(F). 1 F kondensatorius turi tokį kondensatorių, kurio potencialų skirtumas tarp plokščių yra lygus 1 V, kai plokštės tiekiamos priešingais 1 C krūviais: 1 F = 1 C / 1 V.
Plokščiojo kondensatoriaus talpa. Plokščiojo kondensatoriaus elektrinės galios apskaičiavimo formulę galima gauti naudojant išraišką (8). Tiesą sakant, lauko stipris yra: E= φ / εε 0 = q / εε 0 S, kur S Ar plokštės plotas. Kadangi laukas yra vienodas, potencialų skirtumas tarp kondensatoriaus plokščių yra: φ 1 - φ 2 = Ed = qd/εε 0 S, kur d Ar atstumas tarp plokščių. Pakeitus formulę (9), gauname plokščio kondensatoriaus elektrinės galios išraišką:
(10)
kur ε 0 - dielektrinė oro konstanta; S- kondensatoriaus plokštės plotas, S = hl, kur h- plokštės plotis, l- jo ilgis; d- atstumas tarp kondensatoriaus plokščių.
Išraiška (10) rodo, kad kondensatoriaus elektrinę talpą galima padidinti padidinus plotą S jos plokštės, mažindamos atstumą d tarp jų ir dielektrikų naudojimas su didelės vertybės dielektrinė konstanta ε.
Ryžiai. 3. Kondensatorius su dielektriku
Jei tarp kondensatoriaus plokščių yra dielektrinė plokštė, kondensatoriaus talpa pasikeis. Reikėtų atsižvelgti į dielektrinės plokštės vietą tarp kondensatoriaus plokščių.
Pažymėkime: dв - oro tarpo storis, d m - dielektrinės plokštės storis, l B yra kondensatoriaus oro dalies ilgis, l m - kondensatoriaus dalies, užpildytos dielektriku, ilgis, ε m - medžiagos dielektrinė konstanta. Atsižvelgiant į tai l = l+ l m ir d = d+ d m, tokiais atvejais galima apsvarstyti šias parinktis:
Kada l b = 0, d esant = 0, mes turime kondensatorių su kietu dielektriku:
(11)
Iš klasikinės makroskopinės elektrodinamikos lygčių, pagrįstų Maksvelo lygtimis, išplaukia, kad kai dielektrikas dedamas į silpną kintamąjį lauką, harmoningai kintantį su dažniu ω, sudėtingas dielektrinis tenzorius įgauna tokią formą:
(12)
kur σ yra medžiagos optinis laidumas, εʹ yra medžiagos dielektrinė konstanta, susijusi su dielektriko poliarizacija. Išraišką (12) galima sumažinti iki tokia rūšis:
(13)
kur įsivaizduojamas terminas yra atsakingas už dielektrinius nuostolius.
Praktiškai matuojamas C - mėginio talpa plokščio kondensatoriaus pavidalu. Šiam kondensatoriui būdingas dielektrinių nuostolių tangentas:
tgδ = ωCR c (14)
arba kokybės veiksnys:
Q c = 1 / tgδ (15)
kur R c - atsparumas, daugiausia priklausantis nuo dielektrinių nuostolių. Yra daugybė šių charakteristikų matavimo metodų: įvairūs tilto metodai, matavimai konvertuojant išmatuotą parametrą į laiko intervalą ir kt. ...
Šiame darbe matuojant talpą C ir dielektrinio nuostolių kampo liestinę D = tgδ, mes naudojome metodą, sukurtą „GOOD WILL INSTRUMENT Co. Ltd.“. Matavimai buvo atlikti naudojant tikslų imitavimo matuoklį-LCR-819-RLC. Prietaisas leidžia išmatuoti talpą 20 pF-2,083 mF diapazone, nuostolių liestinę-0,0001-9999 diapazone ir pritaikyti poslinkio lauką. Vidinis poslinkis iki 2 V, išorinis poslinkis iki 30 V. Matavimo tikslumas yra 0,05%. Bandymo signalo dažnis 12 Hz -100 kHz.
Šiame darbe matavimai buvo atlikti 1 kHz dažniu 77 K temperatūros diapazone< 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 .
Norint gauti priklausomybę nuo temperatūros, elementas su mėginiu dedamas į aušinimo skysčio (azoto) srovę, praleistą per šilumokaitį, kurio temperatūrą nustato šildytuvas. Šildytuvo temperatūra reguliuojama termostatu. Atsiliepimas nuo temperatūros matuoklio iki termostato leidžia nustatyti temperatūros matavimo greitį arba jį stabilizuoti. Temperatūrai valdyti naudojama termoelementas. Šiame darbe temperatūra buvo keičiama 1 laipsnio per minutę greičiu. Šis metodas leidžia matuoti temperatūrą su 0,1 laipsnio paklaida.
Matavimo elementas su pritvirtintu mėginiu dedamas į srautinį kriostatą. Ląstelė yra prijungta prie LCR matuoklio ekranuotais laidais per jungtį kriostato dangtelyje. Kriostatas yra tarp FL-1 elektromagneto polių. Magnetinis maitinimo blokas leidžia gauti iki 15 kOe magnetinius laukus. Norėdami išmatuoti įtampos dydį magnetinis laukas H naudoja termiškai stabilizuotą Hall jutiklį su elektroniniu bloku. Norint stabilizuoti magnetinį lauką, tarp maitinimo šaltinio ir magnetinio lauko matuoklio yra grįžtamasis ryšys.
Išmatuotos talpos C vertės ir nuostolio kampo liestinė D = tan δ yra susijusios su ieškomų fizinių dydžių εʹ ir εʺ reikšmėmis šiais santykiais:
(16)
(17)
| № | C (pF) | Re (ε ') | T (° C) | tg δ | Q c | Aš (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 |
1 lentelė. Gd x Mn 1-x S, (x = 0,1).
Dielektrinė konstanta
Poliarizacijos reiškinys vertinamas pagal dielektrinės konstantos ε vertę. Parametras ε, apibūdinantis medžiagos gebėjimą suformuoti talpą, vadinamas santykiniu pralaidumu.
Žodis „giminaitis“ dažniausiai praleidžiamas. Reikėtų atsižvelgti į tai, kad izoliacijos sekcijos su elektrodais elektrinė galia, t.y. kondensatorius, priklauso nuo geometrinių matmenų, elektrodų konfigūracijos ir medžiagos, sudarančios šio kondensatoriaus dielektriką, struktūros.
Vakuume ε = 1, o bet kuris dielektrikas visada yra didesnis nei 1. Jei C0 - em-
savavališkos formos ir dydžio kaulas, tarp kurio plokštelių yra vakuumas, o C yra tokio paties dydžio ir formos kondensatoriaus talpa, bet užpildyta dielektriku, kurio dielektrinė konstanta ε, tada
Per C0 žymima elektrinė konstanta (F / m), lygi
C0 = 8,854,10-12,
Raskite absoliučią dielektrinę konstantą
ε’ = ε0 .ε.
Nustatykime kai kurių dielektrikų formų talpos vertes.
Plokščiam kondensatoriui
С = ε0 ε S / h = 8.854 1О-12 ε S / h.
kur S yra elektrodo skerspjūvio plotas, m2;
h yra atstumas tarp elektrodų, m.
Praktinė vertė dielektrinė konstanta yra labai didelė. Tai lemia ne tik medžiagos gebėjimą suformuoti talpą, bet ir sudaro keletą pagrindinių lygčių, kurios apibūdina fiziniai procesai teka dielektrike.
Dujų dielektrinė konstanta dėl mažo tankio (dėl didelių atstumų tarp molekulių) yra nereikšminga ir artima vienybei. Paprastai dujų poliarizacija yra elektroninė arba dipolinė, jei molekulės yra polinės. Dujų ε yra didesnis, tuo didesnis molekulės spindulys. Dujų molekulių skaičiaus pokytis viename dujų tūrio vienete (n) keičiantis temperatūrai ir slėgiui lemia dujų dielektrinės konstantos pasikeitimą. Molekulių skaičius yra proporcingas slėgiui ir atvirkščiai proporcingas absoliučiai temperatūrai.
Pasikeitus drėgmei, oro dielektrinė konstanta šiek tiek keičiasi tiesiogiai proporcingai drėgmės pokyčiui (ties kambario temperatūra). Esant aukštai temperatūrai, drėgmės poveikis žymiai padidėja. Dielektrinės konstantos priklausomybei nuo temperatūros būdinga išraiška
T K ε = 1 / ε (dε / dT).
Naudodami šią išraišką, galite apskaičiuoti santykinį dielektrinės konstantos pokytį, kai temperatūra pasikeičia 1 0 K - vadinamąjį dielektrinės konstantos temperatūros koeficientą TK.
Nepolinių dujų TC reikšmė randama pagal formulę
T K ε = (ε -1) / dT.
kur T yra temperatūra. Į.
Skysčių dielektrinė konstanta labai priklauso nuo jų struktūros. Ne polinių skysčių ε vertės yra mažos ir artimos šviesos lūžio rodiklio kvadratui. Polinių skysčių, kurie naudojami kaip techniniai dielektrikai, dielektrinė konstanta svyruoja nuo 3,5 iki 5, o tai pastebimai didesnė nei nepolinių skysčių.
Taigi skysčių, kuriuose yra dipolinių molekulių, poliarizaciją vienu metu lemia elektronų ir dipolių atsipalaidavimo poliarizacijos.
Stipriai poliniams skysčiams būdinga didelė ε vertė dėl didelio laidumo. Ε priklausomybė nuo temperatūros dipolio skysčiuose yra sudėtingesnė nei neutralių skysčių.
Todėl chloro bifenilo (Savol) ε 50 Hz dažniu greitai didėja dėl staigaus skysčio klampumo sumažėjimo, o dipolis
pasikeitus temperatūrai, molekulės turi laiko orientuotis.
Ε sumažėjimas atsiranda dėl molekulių šiluminio judėjimo sustiprėjimo, kuris neleidžia jiems orientuotis elektrinio lauko kryptimi.
Dielektrikai yra suskirstyti į keturias grupes pagal poliarizacijos tipą:
Pirmoji grupė - vienos sudėties, vienalytė, gryna be priedų, dielektrikai, kuriuose daugiausia elektroninė poliarizacija arba glaudus jonų pakavimas. Tai apima nepolinius ir silpnai polinius kietus dielektrikus kristalinėje arba amorfinėje būsenoje, taip pat nepolinius ir silpnai polinius skysčius ir dujas.
Antrąją grupę sudaro techniniai dielektrikai su elektronine, jonine ir tuo pačiu metu su dipolio atsipalaidavimo poliarizacijomis. Tai poliniai (dipoliniai) organiniai pusiau skysčiai ir kietos medžiagos, tokios kaip alyvos kanifolijos junginiai, celiuliozė, epoksidinės dervos ir kompozicijos, sudarytos iš šių medžiagų.
Trečioji grupė - techniniai dielektrikai su joninėmis ir elektroninės poliarizacijos; dielektrikai su elektronine, jonine atsipalaidavimo poliarizacija yra suskirstyti į du pogrupius. Pirmąjį pogrupį sudaro daugiausia kristalinės medžiagos glaudžiai pakuojant jonus ε< 3,0.
Antrasis pogrupis apima neorganinius stiklus ir medžiagas, kuriose yra stiklo fazės, taip pat kristalines medžiagas su laisvu jonų įpakavimu.
Ketvirtąją grupę sudaro feroelektrikai, turintys spontanišką, elektroninę, joninę, elektronų jonų atsipalaidavimo poliarizaciją, taip pat kompozicinių, sudėtingų ir daugiasluoksnių medžiagų migracija arba aukštos įtampos poliarizacija.
4. Elektros izoliacinių medžiagų dielektriniai nuostoliai. Dielektrinių nuostolių tipai.
Dielektriniai nuostoliai yra dielektriko energija, išsisklaidžiusi, kai jam taikomas elektrinis laukas ir dėl kurio dielektrikas įkaista.
Dielektrikos nuostoliai pastebimi tiek esant kintamai įtampai, tiek esant pastoviai įtampai, nes medžiagoje dėl laidumo randama praeinamoji srovė. Esant pastoviai įtampai, kai nėra periodinės poliarizacijos, medžiagos kokybei būdinga, kaip nurodyta aukščiau, specifinio tūrio ir paviršiaus varžų vertės. Esant kintamai įtampai, būtina naudoti dar vieną medžiagos kokybės charakteristiką, nes šiuo atveju, be praeinamosios srovės, atsiranda papildomų priežasčių, dėl kurių dielektrikas praranda nuostolius.
Dielektrinius nuostolius elektros izoliacinėje medžiagoje galima apibūdinti galia, išsklaidyta tūrio vienetui, arba specifiniai nuostoliai; dažniau, norint įvertinti dielektriko gebėjimą išsklaidyti galią elektriniame lauke, naudojamas dielektrinio nuostolio kampas, taip pat šio kampo liestinė.
Ryžiai. 3-1. Įkrovimas ir įtampa tiesiniam dielektrikui be nuostolių (a), su nuostoliais (b)
Dielektrinių nuostolių kampas yra kampas, papildantis fazės poslinkio kampą tarp srovės ir įtampos talpinėje grandinėje iki 90 °. Idealiam dielektrikui srovės vektorius tokioje grandinėje padidins įtampos vektorių 90 °, o dielektrinio nuostolio kampas bus lygus nuliui. Kuo didesnė dielektriko galia išsisklaido ir virsta šiluma, tuo mažesnis fazės poslinkio kampas ir didesnis kampas bei jo funkcija tg.
Iš kintamųjų srovių teorijos žinoma, kad aktyvi galia
Pa = UI cos (3-1)
Išsakykime serijinių ir lygiagrečiųjų grandinių galias pagal talpas Cs ir Cp ir kampą, kuris yra kampo iki 90 ° papildinys.
Nuosekliai grandinei, naudojant išraišką (3-1) ir atitinkamą vektorinę diagramą, turime
P a = 
(3-2)
tg = C s r s (3-3)
Lygiagrečiai grandinei
P a = UI a = U 2 C p tg (3-4)
tg = (3-5)
Lygindami išraiškas (3-2) ir (3-4), taip pat (3-3) ir (3-5), randame ryšį tarp Сp ir Cs bei tarp rp ir rs
C p = C s / 1 + tg 2 (3-6)
r p = r s (1+ 1 / tg 2 ) (3-7)
Aukštos kokybės dielektrikų atveju tan2 reikšmė gali būti ignoruojama, palyginti su vienybe formulėje (3-8) ir Cp Cs C. Šiuo atveju dielektrikos išsklaidytos galios išraiškos bus vienodos abi grandinės:
P a U 2 C tg (3-8)
kur Ra yra aktyvi galia, W; U - įtampa, V; - kampinis dažnis, s-1; C - talpa, F.
Atsparumas rr lygiagreti grandinė, kaip matyti iš išraiškos (3-7), yra daug kartų didesnė už pasipriešinimą rs. Konkrečių dielektrinių nuostolių išraiška, ty dielektriko tūrio vieneto išsklaidyta galia, yra tokia:
(3-9)
kur p - specifiniai nuostoliai, W / m3; = 2 - kampinis dažnis, s -1, E - elektrinio lauko stipris, V / m.
Iš tiesų, talpa tarp priešingų kubo paviršių, kurių kraštinė yra 1 m, bus
C1 = 0 r, reaktyvusis laidumas
(3-10)
aktyvus komponentas
Tam tikru dažniu nustatę tiriamo dielektriko ekvivalentinės grandinės parametrus (Cp ir rp arba Cs ir rs), paprastai gautos talpos ir varžos vertės negali būti laikomos būdingomis šiam kondensatoriui ir naudokite šiuos duomenis, kad skirtingu dažniu apskaičiuotumėte nuostolių kampą. Tokį skaičiavimą galima atlikti tik tuo atveju lygiavertė grandinė turi tam tikrą fizinį pagrindą. Taigi, pavyzdžiui, jei tam tikram dielektrikui yra žinoma, kad nuostolius jame lemia tik nuostoliai dėl elektros laidumo plačiame dažnių diapazone, tada kondensatoriaus, turinčio tokį dielektriką, nuostolių kampą galima apskaičiuoti bet kokiam šiame diapazone
tg = 1 / Crp (3–12)
kur C ir rp yra pastovi talpa ir varža, išmatuota tam tikru dažniu.
Tokio kondensatoriaus nuostoliai, kaip lengva pamatyti, nepriklauso nuo dažnio:
Pa = U2 / rp (3-13)
priešingai, jei nuostolius kondensatoriuje daugiausia lemia švino laidų varža, taip pat pačių elektrodų varža (pavyzdžiui, plonas sidabro sluoksnis), tada tokio kondensatoriaus energija išsisklaido padidėjimas proporcingai dažnio kvadratui:
Pa = U2 C tg = U2 C Crs = U2 2C2rs (3-14)
Nuo paskutinė išraiška galima padaryti labai svarbią praktinę išvadą: kondensatoriai, skirti veikti aukštu dažniu, turėtų turėti kuo mažesnį tiek elektrodų, tiek jungiamųjų laidų ir pereinamųjų kontaktų varžą.
Dielektrinius nuostolius pagal jų savybes ir fizinę prigimtį galima suskirstyti į keturis pagrindinius tipus:
1) dielektriniai nuostoliai dėl poliarizacijos;
2) dielektriniai nuostoliai dėl elektros laidumo;
jonizacijos dielektriniai nuostoliai;
dielektriniai nuostoliai dėl struktūros nevienalytiškumo.
Dielektriniai nuostoliai dėl poliarizacijos ypač aiškiai pastebimi medžiagose, turinčiose atsipalaidavimo poliarizaciją: dipolinės struktūros dielektrikuose ir joninės struktūros dielektrikuose su laisva jonų pakuote.
Atsipalaidavimo dielektrinius nuostolius sukelia dalelių šiluminio judėjimo pažeidimas veikiant elektrinio lauko jėgoms.
Dielektriniai nuostoliai, pastebėti feroelektrikuose, yra susiję su savaiminės poliarizacijos reiškiniu. Todėl feroelektrinių nuostoliai yra reikšmingi esant temperatūrai žemiau Curie taško, kai pastebima savaiminė poliarizacija. Esant temperatūrai virš Curie taško, ferroelektrinių nuostoliai mažėja. Elektros feroelektriko senėjimas laikui bėgant šiek tiek sumažėja.
Dielektriniai nuostoliai dėl poliarizacijos taip pat apima vadinamuosius rezonanso nuostolius, kurie pasireiškia dielektrikuose dideliais dažniais. Šio tipo nuostoliai ypač aiškiai pastebimi kai kuriose dujose griežtai apibrėžtu dažniu ir išreiškiami intensyvia elektrinio lauko energijos absorbcija.
Rezonansiniai nuostoliai galimi ir kietosiose medžiagose, jei elektrinio lauko sukeltų priverstinių vibracijų dažnis sutampa su kietųjų dalelių natūralių vibracijų dažniu. Maksimalus įdegio dažnio priklausomybės buvimas taip pat būdingas rezonansinio praradimo mechanizmui, tačiau Ši byla temperatūra neturi įtakos maksimumo padėčiai.
Dielektriniai nuostoliai, atsirandantys dėl elektros laidumo, yra dielektrikuose, turinčiuose pastebimą masės ar paviršiaus laidumą.
Dielektrinio nuostolių kampo liestinę šiuo atveju galima apskaičiuoti pagal formulę
Šio tipo dielektriniai nuostoliai nepriklauso nuo lauko dažnio; tg mažėja pagal dažnį pagal hiperbolinį dėsnį.
Dielektriniai nuostoliai dėl elektros laidumo didėja eksponentiškai su temperatūra
PaT = Aexp (-b / T) (3-16)
kur A, b yra materialiosios konstantos. Formulę (3-16) galima apytiksliai perrašyti taip:
PaT = Pa0exp (t) (3–17)
kur PaT - nuostoliai esant temperatūrai t, ° С; Pa0 - nuostoliai esant 0 ° C temperatūrai; - pastovi medžiaga.
Dielektrinių nuostolių liestinė, priklausomai nuo temperatūros, keičiasi pagal tą patį dėsnį, kuris buvo naudojamas apytiksliai priklausant nuo Pa priklausomybės nuo temperatūros, nes į talpos temperatūros pokytį galima nekreipti dėmesio.
Jonizacijos dielektriniai nuostoliai būdingi dielektrikams ir dujinė būsena; Jonizacijos nuostoliai pasireiškia nevienalyčiais elektriniais laukais, kurių intensyvumas viršija vertę, atitinkančią tam tikrų dujų jonizacijos pradžią. Jonizacijos nuostolius galima apskaičiuoti pagal formulę
Pa. U = A1f (U-Ui) 3 (3–18)
kur A1 yra pastovus koeficientas; f yra lauko dažnis; U yra taikoma įtampa; Ui yra įtampa, atitinkanti jonizacijos pradžią.
(3-18) formulė galioja esant U> Ui ir tiesinei įdegio priklausomybei nuo E. Jonizacijos įtampa Ui priklauso nuo slėgio, kuriame yra dujos, nes molekulių smūginės jonizacijos vystymasis yra susijęs su vidurkiu krūvininkų kelias.
Dielektriniai nuostoliai dėl struktūrinio nevienalytiškumo pastebimi sluoksniuotuose dielektrikuose, iš impregnuoto popieriaus ir audinio, plastikuose su užpildu, poringoje keramikoje mikanituose, mikaleksuose ir kt.
Dėl nevienalyčių dielektrikų struktūros įvairovės ir juose esančių komponentų ypatybių nėra bendros šio tipo dielektrinių nuostolių apskaičiavimo formulės.
Dielektrikaś pralaidumaś talpa aplinka - fizikinis dydis, apibūdinantis izoliacinės (dielektrinės) terpės savybes ir parodantis elektros indukcijos priklausomybę nuo elektrinio lauko stiprumo.
Tai lemia dielektrikų poliarizacijos poveikis veikiant elektriniam laukui (ir atsižvelgiant į šį poveikį apibūdinančios terpės dielektrinio jautrumo vertę).
Atskirkite santykinę ir absoliučią dielektrines konstantas.
Santykinis pralaidumas ε yra be matmenų ir parodo, kiek kartų dviejų elektros krūvių sąveikos jėga terpėje yra mažesnė nei vakuume. Ši oro ir daugumos kitų dujų vertė normaliomis sąlygomis yra artima vienybei (dėl mažo tankio). Daugumos kietų ar skystų dielektrikų santykinis pralaidumas svyruoja nuo 2 iki 8 (statiniam laukui). Statinio lauko vandens dielektrinė konstanta yra gana didelė - apie 80. Jo vertės yra puikios medžiagoms, kurių molekulės turi didelį elektrinį dipolio momentą. Santykinė feroelektrinių dielektrinė konstanta yra dešimtys ir šimtai tūkstančių.
Užsienio literatūroje absoliuti dielektrinė konstanta žymima raide ε, buitinėje daugiausia naudojamas derinys, kur yra elektrinė konstanta. Absoliuti dielektrinė konstanta naudojama tik tarptautinėje vienetų sistemoje (SI), kurioje indukcija ir elektrinio lauko stipris matuojami skirtingais vienetais. CGS sistemoje nereikia įvesti absoliučios dielektrinės konstantos. Absoliutinė dielektrinė konstanta (kaip ir elektrinė konstanta) turi matmenis L −3 M −1 T 4 I². Tarptautinės vienetų sistemos (SI) vienetais: = F / m.
Reikėtų pažymėti, kad dielektrinė konstanta labai priklauso nuo dažnio elektromagnetinis laukas... Į tai visada reikia atsižvelgti, nes vadovų lentelėse paprastai pateikiami duomenys apie statinį lauką arba žemus dažnius iki kelių kHz vienetų, nenurodant Šis faktas... Tuo pačiu metu yra optinių metodų, kaip gauti santykinį pralaidumą iš lūžio rodiklio, naudojant elipsometrus ir refraktometrus. Optiniu metodu gauta vertė (dažnis 10 14 Hz) labai skirsis nuo lentelėse pateiktų duomenų.
Apsvarstykite, pavyzdžiui, vandens atvejį. Esant statiniam laukui (dažnis lygus nuliui), santykinis pralaidumas normaliomis sąlygomis yra maždaug 80. Taip yra iki infraraudonųjų spindulių dažnių. Nuo maždaug 2 GHz ε r pradeda kristi. Optiniame diapazone ε r yra maždaug 1,8. Tai visiškai atitinka faktą, kad optiniame diapazone vandens lūžio rodiklis yra 1,33. Siaurame dažnių diapazone, vadinamame optiniu, dielektrinė absorbcija sumažėja iki nulio, o tai iš tikrųjų suteikia žmogui regėjimo mechanizmą. šaltinis nenurodytas 1252 dienos] vandens garais prisotintoje žemės atmosferoje. SU tolesnis augimas terpės savybių dažniai vėl keičiasi. Santykinio vandens pralaidumo elgesį dažnių diapazone nuo 0 iki 10 12 (infraraudonųjų spindulių sritis) galima perskaityti (anglų k.)
Dielektrikų dielektrinė konstanta yra vienas iš pagrindinių parametrų kuriant elektrinius kondensatorius. Medžiagų, turinčių didelę dielektrinę konstantą, naudojimas gali žymiai sumažinti fizinius kondensatorių matmenis.
Kondensatorių talpa nustatoma pagal:
kur ε r- medžiagos dielektrinė konstanta tarp plokščių, ε O- elektros pastovumas, S- kondensatoriaus plokščių plotas, d yra atstumas tarp plokščių.
Kuriant spausdintines plokštes atsižvelgiama į dielektrinę konstantą. Medžiagos dielektrinės konstantos tarp sluoksnių vertė kartu su jos storiu įtakoja galios sluoksnių natūralios statinės talpos vertę, taip pat žymiai įtakoja plokštėje esančių laidininkų charakteristinę varžą.
SPECIFINIS ATSPARUMAS elektrinis, fizinis kiekis lygus elektrinei varžai ( cm. ELEKTROS ATSPARUMAS) R vienetinio ilgio (l = 1m) ir vieneto skerspjūvio ploto (S = 1m 2) cilindrinio laidininko R .. r = R S / l. Xi varžos vienetas yra omas. m. Varžą taip pat galima išreikšti omais. Žr. Varža yra medžiagos, per kurią teka srovė, charakteristika ir priklauso nuo medžiagos, iš kurios ji pagaminta. Specifinė varža lygi r = 1 omui. m reiškia, kad cilindrinis laidininkas pagamintas iš šios medžiagos, kurio ilgis l = 1m ir skerspjūvio plotas S = 1 m 2, turi varžą R = 1 omas. m. Metalų varžos vertė ( cm. METALAI), kurie yra geri gidai (cm. KONDUKTORIAI), gali turėti 10–8–10–6 omų vertės. m (pavyzdžiui, varis, sidabras, geležis ir kt.). Kai kurių kietų dielektrikų atsparumas ( cm. DIELEKTRIKA) gali pasiekti 10 16 -10 18 Ohm.m reikšmes (pavyzdžiui, kvarcinis stiklas, polietilenas, elektroporcelianas ir kt.). Daugelio medžiagų (ypač puslaidininkinių medžiagų) atsparumas cm. SEMIKONDUCTORIŲ MEDŽIAGOS)) labai priklauso nuo jų valymo laipsnio, legiruojančių priedų, terminio ir mechaninio apdorojimo ir kt. cm. SIEMENS (laidumo vienetas)) vienam metrui S / m. Elektros varža (laidumas) yra skaliarinis izotropinės medžiagos kiekis; o tenzorius - anizotropinei medžiagai. Anizotropiniuose pavieniuose kristaluose elektros laidumo anizotropija yra atvirkštinės efektyviosios masės anizotropijos pasekmė ( cm. Efektyvi masė) elektronai ir skylės.
1-6. IZOLIACIJOS ELEKTROS LAIDUMAS
Kai kabelio ar laido izoliacija įjungiama iki pastovios įtampos U, per ją praeina srovė i, kuri laikui bėgant keičiasi (1-3 pav.). Ši srovė turi pastovius komponentus - laidumo srovę (i ∞) ir absorbcijos srovę, kur γ yra laidumas, atitinkantis absorbcijos srovę; T yra laikas, per kurį dabartinė i abs nukrenta iki 1 / e pradinės vertės. Be galo ilgą laiką i abs → 0 ir i = i ∞. Dielektrikų elektros laidumas paaiškinamas tuo, kad juose yra tam tikras kiekis laisvai įkrautų dalelių: jonų ir elektronų.
Jonų elektros laidumas labiausiai būdingas daugumai elektros izoliacinių medžiagų, o tai įmanoma dėl izoliacijoje neišvengiamai esančių priemaišų (drėgmės, druskų, šarmų ir kt.). Dielektrikuose, turinčiuose joninį elektros laidumo pobūdį, griežtai laikomasi Faradėjaus dėsnio - proporcijos tarp elektros energijos, praleistos per izoliaciją, ir medžiagos, išsiskiriančios elektrolizės metu, proporcingumo.
Kylant temperatūrai, elektros izoliacinių medžiagų varža mažėja ir jai būdinga formulė
kur_ρ o, A ir B yra tam tikros medžiagos konstantos; T- temperatūra, ° K.
Didelė izoliacijos varžos priklausomybė nuo drėgmės atsiranda higroskopinėse izoliacinėse medžiagose, daugiausia pluoštinėse (popierius, medvilniniai verpalai ir kt.). Todėl pluoštinės medžiagos džiovinamos ir įmirkomos, taip pat apsaugomos drėgmei atspariais apvalkalais.
Izoliacijos varža gali mažėti didėjant įtampai, nes izoliacinėse medžiagose susidaro erdvės krūviai. Šiuo atveju sukurtas papildomas elektroninis laidumas padidina elektros laidumą. Labai stiprių laukų laidumas priklauso nuo įtampos (Ya.I. Frenkelio dėsnis):
kur γ apie - laidumas silpnose srityse; a - pastovus. Visoms elektros izoliacinėms medžiagoms būdingos tam tikros izoliacijos laidumo vertės G. Idealiu atveju izoliacinių medžiagų laidumas yra lygus nuliui. Tikros izoliacinės medžiagos laidumas laido ilgio vienetui nustatomas pagal formulę
Kabeliuose, kurių izoliacijos varža didesnė kaip 3–10 11 omų, ir ryšių kabeliuose, kur dielektrinės poliarizacijos nuostoliai yra daug didesni nei šilumos nuostolių, laidumas nustatomas pagal formulę
Izoliacijos laidumas komunikacijų inžinerijoje yra elektros linijos parametras, apibūdinantis energijos nuostolius kabelių gyslų izoliacijoje. Laidumo priklausomybė nuo dažnio parodyta fig. 1-1. Laidumo atvirkštinė dalis, izoliacijos varža, yra izoliacijai (įtampai) taikomos nuolatinės įtampos ir nuotėkio srovės (amperais) santykis, t.y.
kur R V yra tūrinė izoliacijos varža, kuri skaitmeniškai nustato kliūtį, kurią sukuria srovės praėjimas per izoliacijos storį; R S - paviršiaus atsparumas, kuris lemia kliūtį srovei tekėti per izoliacijos paviršių.
Praktinis panaudotų izoliacinių medžiagų kokybės įvertinimas yra savitasis tūrinis atsparumas ρ V, išreikštas omo centimetrais (omu * cm). Skaičiumi ρ V yra lygus kubo, kurio kraštas yra 1 cm nuo tam tikros medžiagos, pasipriešinimas (omais), jei srovė praeina per du priešingus kubo paviršius. Savitasis paviršiaus atsparumas ρ S yra skaitiniu požiūriu lygus kvadrato paviršiaus atsparumui (omais), jei srovė patenka į elektrodus, ribojančius dvi priešingas šio kvadrato puses.
Vieno gyslo kabelio ar laido izoliacijos varža nustatoma pagal formulę
Dielektriko drėgmės savybės
Atsparumas drėgmei - tai yra izoliacijos operacijos patikimumas, kai ji yra vandens garų atmosferoje, kuri yra artima prisotinimui. Atsparumas drėgmei vertinamas pagal elektrinių, mechaninių ir kitų fizinių savybių pasikeitimą radus medžiagą atmosferoje, kurioje yra didelė ir didelė drėgmė; dėl drėgmės ir vandens pralaidumo; sugeria drėgmę ir vandenį.
Drėgmės pralaidumas - medžiagos gebėjimas praleisti drėgmės garus, kai abiejose medžiagos pusėse skiriasi santykinis oro drėgnumas.
Drėgmės sugėrimas - medžiagos gebėjimas absorbuoti vandenį ilgai veikiant drėgnoje atmosferoje, artimoje soties būsenoje.
Vandens absorbcija - medžiagos gebėjimas sugerti vandenį ilgai panardinant į vandenį.
Atsparumas atogrąžoms ir tropizmasįranga – elektros įrangos apsauga nuo drėgmės, pelėsių, graužikų.
Šiluminės dielektriko savybės
Dielektrikų šiluminėms savybėms apibūdinti naudojami šie kiekiai.
Karščiui atsparus- elektros izoliacinių medžiagų ir gaminių gebėjimas atlaikyti aukštą temperatūrą ir staigius temperatūros pokyčius, jiems nepakenkiant. Nustatoma pagal temperatūrą, kurioje pastebimas reikšmingas mechaninių ir elektrinių savybių pasikeitimas, pavyzdžiui, organiniuose dielektrikuose, tempimo ar lenkimo deformacija prasideda esant apkrovai.
Šilumos laidumas- šilumos perdavimo medžiagoje procesas. Jai būdingas eksperimentiškai nustatytas šilumos laidumo koeficientas λ t. Λ t - šilumos kiekis, per vieną sekundę perduodamas per 1 m storio medžiagos sluoksnį ir 1 m 2 paviršiaus plotą, kai sluoksnio temperatūros skirtumas 1 ° K paviršiaus. Dielektrikų šilumos laidumo koeficientas kinta per plačias ribas. Dauguma žemos vertėsλ t turi dujas, porėtus dielektrikus ir skysčius (orui λ t = 0,025 W / (m K), vandeniui λ t = 0,58 W / (m K)), kristaliniai dielektrikai turi dideles vertes (kristaliniam kvarcui λ t = 12,5 W / (m K)). Dielektrikų šilumos laidumo koeficientas priklauso nuo jų struktūros (lydytam kvarcui λ t = 1,25 W / (m · K)) ir temperatūros.
Šiluminis plėtimasis dielektrikai apskaičiuojami pagal linijinio plėtimosi temperatūros koeficientą: 
... Medžiagos, turinčios mažą šiluminį plėtimąsi, paprastai turi didesnį atsparumą karščiui ir atvirkščiai. Šiluminis plėtimasis organiniai dielektrikai žymiai (dešimtis ir šimtus kartų) viršija neorganinių dielektrikų plėtimąsi. Todėl dalių, pagamintų iš neorganinių dielektrikų su temperatūros svyravimais, matmenų stabilumas yra daug didesnis, palyginti su organiniais.
1. Absorbcijos srovės
Absorbcijos srovės yra įvairių tipų uždelstos poliarizacijos poslinkio srovės. Absorbcijos srovės esant pastoviai įtampai dielektrike, kol bus nustatyta pusiausvyros būsena, keičiant jų kryptį, kai įtampa įjungiama ir išjungiama. Esant kintamai įtampai, absorbcijos srovės teka per visą laiką, kai dielektrikas yra elektriniame lauke.
Apskritai elektros j dielektrike yra srovės suma j sc ir absorbcijos srovė j ab
j = j ck + j ab.
Absorbcijos srovę galima nustatyti per šališkąją srovę j cm - elektrinės indukcijos vektoriaus kitimo greitis D
Srauto srovę lemia įvairių krūvininkų perkėlimas (judėjimas) elektriniame lauke.
2. Elektroninis elektros laidumui būdingas elektronų judėjimas veikiant laukui. Be metalų, jo yra anglies, metalo oksidų, sulfidų ir kitų medžiagų, taip pat daugelyje puslaidininkių.
3. Joninis - dėl jonų judėjimo. Jis pastebimas elektrolitų - druskų, rūgščių, šarmų - tirpaluose ir lydymuose, taip pat daugelyje dielektrikų. Jis suskirstytas į vidinį ir priemaišų laidumą. Vidinis laidumas atsiranda dėl disociacijos sukeltų jonų judėjimo molekulės. Jonų judėjimą elektriniame lauke lydi elektrolizė - medžiagos perkėlimas tarp elektrodų ir išsiskyrimas ant elektrodų. Poliniai skysčiai yra labiau atsiskyrę ir turi didesnį elektros laidumą nei nepoliniai.
Ne poliariniuose ir silpnai poliariniuose skystuose dielektrikuose (mineralinėse alyvose, silicio organiniuose skysčiuose) elektros laidumą lemia priemaišos.
4. Molekulinis laidumas - kurį sukelia įkrautų dalelių judėjimas vadinamas molionai... Stebėkite tai koloidinėse sistemose, emulsijose , sustabdymai ... Molionų judėjimas veikiant elektriniam laukui vadinamas elektroforezė... Elektroforezės metu, skirtingai nei elektrolizė, naujos medžiagos nesusidaro, keičiasi santykinė dispersinės fazės koncentracija skirtinguose skysčio sluoksniuose. Elektroforezinis laidumas pastebimas, pavyzdžiui, aliejuose, kuriuose yra emulsuoto vandens.
