Suhteline lubavus

DIELEKTRILINE KONSTANT (dielektriline konstant) on füüsikaline suurus, mis iseloomustab aine võimet vähendada selles aines esinevaid elektrilise vastastikmõju jõude võrreldes vaakumiga. Seega näitab D. p, mitu korda on elektrilise vastasmõju jõud aines väiksemad kui vaakumis.

D. p. - omadus, mis sõltub dielektrilise aine struktuurist. Elektriväljas olevad elektronid, ioonid, aatomid, molekulid või nende üksikud osad ja suuremad lõigud mistahes ainest polariseeritakse (vt Polarisatsioon), mis viib välise elektrivälja osalise neutraliseerimiseni. Kui elektrivälja sagedus on proportsionaalne aine polarisatsiooniajaga, siis teatud sagedusvahemikus esineb dispergeeriva osakese dispersioon, s.o selle suuruse sõltuvus sagedusest (vt. Dispersioon). Aine DP sõltub nii aatomite ja molekulide elektrilistest omadustest kui ka nende omavahelisest paigutusest ehk aine struktuurist. Seetõttu kasutatakse aine ja eriti keha erinevate kudede struktuuri uurimisel D. p määratlust või selle muutusi sõltuvalt ümbritsevatest tingimustest (vt Bioloogiliste süsteemide elektrijuhtivus).

Erinevatel ainetel (dielektrikutel) on olenevalt nende struktuurist ja agregatsiooniseisundist erinev D. p. väärtus (tabel).

Tabel. Mõnede ainete läbilaskvuse väärtus

Erilise tähtsusega meditsiini - biol, teadusuuringud on uuring D. ja. polaarsetes vedelikes. Nende tüüpiline esindaja on dipoolidest koosnev vesi, mis on dipooli ja välja laengute vastasmõju tõttu orienteeritud elektriväljas, mis viib dipooli ehk orientatsioonipolarisatsiooni tekkimiseni. Vee kõrge D. p. väärtus (80 t ° 20 ° juures) määrab erinevate keemiliste ainete kõrge dissotsiatsiooniastme selles. ained ja soolade, to-t, aluste ja muude ühendite hea lahustuvus (vt Dissotsiatsioon, Elektrolüüdid). Elektrolüüdi kontsentratsiooni suurenemisega vees väheneb selle DP väärtus (näiteks monovalentsete elektrolüütide puhul väheneb vee DP ühe võrra, kui soola kontsentratsioon suureneb 0,1 M võrra).

Enamik bioloogilisi objekte kuulub heterogeensete dielektrikute hulka. Ioonide biol interaktsioonil on läbilõike piiride elektrivälja polarisatsiooniga objektil oluline väärtus (vt. Membraanid bioloogilised ). Polarisatsiooni suurus on seda suurem, seda madalam on elektrivälja sagedus. Kuna bioli liidese polarisatsioon sõltub objekti nende läbilaskvusest (vt) ioonide jaoks, on ilmne, et efektiivse D. p määrab suuresti membraanide olek.

Kuna sellise keerulise heterogeense objekti kui bioloogilise polarisatsioonil on erinev olemus (kontsentratsioon, makrostruktuurne, orientatsiooniline, ioonne, elektrooniline jne), saab selgeks, et sageduse suurenedes muutub D. p. (dispersioon) teravalt väljendatud. Tavapäraselt on D. p.-l kolm dispersioonipiirkonda: alfa-dispersioon (sagedustel kuni 1 kHz), beeta-dispersioon (sagedus mitmest kHz-st kümnete MHz-ni) ja gamma-dispersioon (sagedused üle 10 9 Hz); biol, objektidel ei ole tavaliselt hajuvusalade vahel selget piiri.

Halvenemisfunktsioonide korral, väidab biol, objekti D. dispersioon madalatel sagedustel väheneb kuni täieliku kadumiseni (koe surma korral). Kõrgetel sagedustel D. p suurusjärk oluliselt ei muutu.

D.p mõõdetakse laias sagedusvahemikus ja olenevalt sagedusalast muutuvad oluliselt ka mõõtmismeetodid. Elektrivoolu sagedustel alla 1 Hz tehakse mõõtmine uuritava ainega täidetud kondensaatori laadimise või tühjendamise meetodil. Teades laadimis- või tühjendusvoolu sõltuvust ajast, on võimalik määrata mitte ainult kondensaatori elektrilise mahtuvuse väärtust, vaid ka selles olevaid kaod. Sagedustel 1 kuni 3 10 8 Hz D. mõõtmiseks ja. kasutatakse spetsiaalseid resonants- ja sildmeetodeid, mis võimaldavad kõige terviklikumalt ja mitmekülgsemalt uurida erinevate ainete D. muutusi.

Meditsiiniteaduses kasutatakse uuringutes kõige sagedamini vahelduvvoolu sümmeetrilisi sildu mõõdetud suuruste otsese lugemisega.

Bibliograafia: Dielektrikute ja pooljuhtide kõrgsageduskuumutamine, toim. A. V. Netushila, M. - L., 1959, bibliograafia; Edunov B. I. ja Fran to-K ning me-n e c to ja y D. A. Bioloogiliste objektide dielektriline konstant, Usp. füüsiline Sciences, kd 79, c. 4, lk. 617, 1963, bibliogr.; Elektroonika ja küberneetika bioloogias ja meditsiinis, tlk. inglise keelest, toim. P. K. Anokhin, lk. 71, M., 1963, bibliogr.; Em F. Dielektrilised mõõtmised, trans. saksa keelest., M., 1967, bibliogr.

Loeng nr 19

1. Gaasiliste, vedelate ja tahkete dielektrikute elektrijuhtivuse olemus

Dielektriline konstant

Suhteline lubavus või läbilaskvus ε on dielektriku üks olulisemaid makroskoopilisi elektrilisi parameetreid. Dielektriline konstantε iseloomustab kvantitatiivselt dielektriku polariseerumisvõimet elektriväljas ja hindab ka selle polaarsuse astet; ε on dielektrimaterjali konstant elektripinge antud temperatuuril ja sagedusel ning näitab, mitu korda on kondensaatori laeng dielektrikuga suurem kui sama suurusega kondensaatori laeng vaakumiga.

Dielektriline konstant määrab toote elektrilise mahtuvuse väärtuse (kondensaator, kaabli isolatsioon jne). Lamekondensaatori mahtuvuse jaoks FROM,Ф, väljendatakse valemiga (1)

kus S on mõõteelektroodi pindala, m 2 ; h on dielektriku paksus, m. Valemist (1) on näha, et mida suurem on väärtus ε dielektrik, seda suurem on samade mõõtmetega kondensaatori mahtuvus. Elektriline mahtuvus C on omakorda pinnalaengu proportsionaalsustegur QK, akumuleeritud kondensaator ja sellele rakendatud elektripinge

ketramine U(2):

Valemist (2) järeldub, et elektrilaeng QK, kondensaatori poolt akumuleeritud on võrdeline väärtusega ε dielektriline. Teades QK kondensaatori geomeetrilised mõõtmed, saate määrata ε dielektriline materjal etteantud pinge jaoks.

Mõelge laengu moodustumise mehhanismile QK dielektrikuga kondensaatori elektroodidel ja millised komponendid selle laengu moodustavad. Selleks võtame kaks ühesuguste geomeetriliste mõõtmetega lamedat kondensaatorit: üks vaakumiga, teine ​​dielektrikuga täidetud elektroodidevahelise ruumiga ja rakendame neile sama pinget. U(Joonis 1). Esimese kondensaatori elektroodidele moodustub laeng Q0, teise elektroodidel - QK. Lae omakorda QK on tasude summa Q0 ja K(3):

Lae K 0 moodustab välisväli E0 kondensaatori elektroodidele välislaengute akumuleerumisel pinnatihedusega σ 0 . K- see on kondensaatori elektroodide lisalaeng, mille tekitab elektriline pingeallikas, et kompenseerida dielektriku pinnale tekkivaid seotud laenguid.

Ühtlaselt polariseeritud dielektrikus on laeng K vastab seotud laengute pinnatihedusele σ. Laeng σ moodustab välja E sz, mis on suunatud välja E O vastas.

Vaadeldava dielektriku läbilaskvust saab esitada laengu suhtena QK laadimiseks dielektrikuga täidetud kondensaator Q0 sama kondensaator vaakumiga (3):

Valemist (3) järeldub, et lubatavus ε - väärtus on mõõtmeteta ja mis tahes dielektriku puhul on see suurem kui ühtsus; vaakumi korral ε = 1. Vaadeldavast näitest ka

on näha, et dielektrikuga kondensaatori elektroodidel laengu tihedus ε korda suurem kui vaakumiga kondensaatori elektroodide laengutihedus ja mõlema intensiivsus samal pingel

nende kondensaatorid on samad ja sõltuvad ainult pinge suurusest U ja elektroodide vaheline kaugus (E = U/h).

Lisaks suhtelisele läbilaskvusele ε eristama absoluutne läbitavus ε a, f/m, (4)

millel puudub füüsiline tähendus ja mida kasutatakse elektrotehnikas.

Läbilaskvuse εr suhtelist muutust temperatuuri tõusuga 1 K võrra nimetatakse läbilaskvuse temperatuurikoefitsiendiks.

TKε = 1/ εr d εr/dT K-1 Õhu puhul temperatuuril 20°C TK εr = -2,10-6K-

Ferroelektrikute elektrilist vananemist väljendatakse εr vähenemisena aja jooksul. Põhjuseks on domeenide ümberkorraldamine.

Eriti järsku läbilaskvuse muutust ajas täheldatakse Curie punktile lähedasel temperatuuril. Ferroelektriku kuumutamine Curie punktist kõrgemale temperatuurile ja sellele järgnev jahutamine tagastab εr oma eelmisele väärtusele. Sama dielektrilise läbitavuse taastamise saab läbi viia, kui ferroelektriline puutub kokku suurenenud tugevusega elektriväljaga.

Komplekssete dielektrikute puhul - mehaaniline segu kahest komponendist, mille esimeses lähenduses on erinev εr: εrx = θ1 εr1x θ εr2x, kus θ on segu komponentide mahukontsentratsioon, εr on segukomponendi suhteline läbitavus.

Dielektrilist polarisatsiooni võivad põhjustada: mehaanilised koormused (piesopolarisatsioon piesoelektrikutes); kuumutamine (püropolarisatsioon püroelektrikas); valgus (fotopolarisatsioon).

Dielektriku polariseeritud olekut elektriväljas E iseloomustab elektrimoment ruumalaühiku kohta, polarisatsioon Р, C/m2, mis on seotud tema suhtelise läbilaskvusega nt: Р = e0 (nt - 1)Е, kus e0 = 8,85∙10-12 F/m. Korrutist e0∙eg =e, F/m nimetatakse absoluutseks läbilaskvuseks. Gaasilistes dielektrikutes erineb nt vähe 1,0-st, mittepolaarses vedelas ja tahkes aines ulatub 1,5 - 3,0-ni, polaarsetes on see suurte väärtustega; ioonkristallides nt - 5-MO ja perovskiitkristallvõrega kristallides jõuab see 200-ni; ferroelektrikas nt - 103 ja rohkem.

Mittepolaarsetes dielektrikutes nt temperatuuri tõustes veidi väheneb, polaarmuutustes seostatakse ühe või teise polarisatsioonitüübi ülekaaluga, ioonkristallides see suureneb, mõnel ferroelektrikul Curie temperatuuril ulatub 104 ja rohkem. Temperatuurimuutusi iseloomustab nt temperatuurikoefitsient. Polaarsete dielektrikute puhul on iseloomulikuks tunnuseks nt sagedusvahemiku vähenemine, kus polarisatsiooniaeg t on võrdeline T/2-ga.

Sarnane teave.

Nagu kogemus näitab, ei sõltu kondensaatori mahtuvus mitte ainult selle koostises olevate juhtmete suurusest, kujust ja suhtelisest asendist, vaid ka nende juhtide vahelist ruumi täitva dielektriku omadustest. Dielektriku mõju saab kindlaks teha järgmise katse abil. Laadime lamekondensaatorit ja märgime üles elektromeetri näidud, mis mõõdab kondensaatori pinget. Liigutame siis kondensaatorisse laenguta eboniitplaadi (joonis 63). Näeme, et plaatide potentsiaalide erinevus väheneb märgatavalt. Kui eemaldate eboniidi, muutuvad elektromeetri näidud samaks. See näitab, et kui õhk asendatakse eboniidiga, suureneb kondensaatori mahtuvus. Võttes eboniidi asemel mõne muu dielektriku, saame sarnase tulemuse, kuid erinev on ainult kondensaatori mahtuvuse muutus. Kui - kondensaatori mahtuvus, mille plaatide vahel on vaakum, ja - sama kondensaatori mahtuvus, kui kogu plaatide vaheline ruum on täidetud, ilma õhuvahedeta, mingi dielektrikuga, siis mahtuvus on korda suurem kui mahtuvus, kus sõltub ainult dielektriku olemusest. Seega võib kirjutada

Riis. 63. Kondensaatori mahtuvus suureneb, kui eboniitplaat lükata selle plaatide vahele. Elektromeetri lehed kukuvad maha, kuigi laeng jääb samaks

Väärtust nimetatakse suhteliseks dielektriliseks konstandiks või lihtsalt selle keskkonna dielektriliseks konstandiks, mis täidab kondensaatoriplaatide vahelise ruumi. Tabelis. 1 näitab mõnede ainete läbilaskvuse väärtusi.

Tabel 1. Mõnede ainete dielektriline konstant

Ülaltoodu kehtib mitte ainult lamekondensaatori, vaid ka mis tahes kujuga kondensaatori kohta: asendades õhu mingi dielektrikuga, suurendame kondensaatori mahtuvust teguri võrra.

Rangelt võttes suureneb kondensaatori mahtuvus teguri võrra ainult siis, kui kõik ühelt plaadilt teisele kulgevad väljajooned läbivad antud dielektriku. See on näiteks kondensaator, mis on üleni sukeldatud mingisugusesse vedelasse dielektrikusse ja valatakse suurde anumasse. Kui aga plaatide vaheline kaugus on nende mõõtmetega võrreldes väike, siis võib lugeda, et piisab ainult plaatidevahelise ruumi täitmisest, kuna just siin on kondensaatori elektriväli praktiliselt kontsentreeritud. Niisiis, lame kondensaatori jaoks piisab, kui täita dielektrikuga ainult plaatide vaheline ruum.

Asetades plaatide vahele suure dielektrilise konstandiga aine, saab kondensaatori mahtuvust tunduvalt suurendada. Seda kasutatakse praktikas ja kondensaatori dielektrikuks valitakse tavaliselt mitte õhk, vaid klaas, parafiin, vilgukivi ja muud ained. Joonisel fig. 64 on kujutatud tehnilist kondensaatorit, milles dielektrikuna toimib parafiiniga immutatud paberlint. Selle katted on teraslehed, mis on mõlemalt poolt pressitud vahatatud paberiks. Selliste kondensaatorite mahtuvus ulatub sageli mitme mikrofaradini. Nii on näiteks tikutoosi suuruse raadioamatöörkondensaatori mahtuvus 2 mikrofaradi.

Riis. 64. Tehniline lamekondensaator: a) kokkupandud; b) osaliselt lahtivõetud kujul: 1 ja 1 "- raami teibid, mille vahele asetatakse vahatatud õhukesest paberist teibid 2. Kõik teibid volditakse kokku "akordioniga" ja pannakse metallkarpi. Kontaktid 3 ja 3" on joodetud lintide 1 ja 1 otste külge, et lisada vooluahelasse kondensaator

On selge, et kondensaatori valmistamiseks sobivad ainult väga heade isolatsiooniomadustega dielektrikud. Vastasel juhul voolavad laengud läbi dielektriku. Seetõttu ei sobi vesi, vaatamata oma kõrgele dielektrilisele konstandile, kondensaatorite valmistamiseks sugugi, sest ainult äärmiselt hoolikalt puhastatud vesi on piisavalt hea dielektrik.

Kui lamekondensaatori plaatide vaheline ruum on täidetud dielektrilise konstandiga ainega, siis lamekondensaatori valem (34.1) saab kuju

Asjaolu, et kondensaatori mahtuvus sõltub keskkonnast, näitab, et dielektrikute sees olev elektriväli on muutumas. Oleme näinud, et kui kondensaator on täidetud läbilaskvusega dielektrikuga, suureneb mahtuvus teguri võrra. See tähendab, et plaatidel olevate samade laengute korral väheneb nende vaheline potentsiaalide erinevus teguri võrra. Kuid potentsiaalide erinevus ja väljatugevus on omavahel seotud seosega (30.1). Seetõttu tähendab potentsiaalide erinevuse vähenemine seda, et kondensaatori väljatugevus dielektrikuga täitmisel väheneb teguri võrra. See on kondensaatori mahtuvuse suurenemise põhjus. korda vähem kui vaakumis. Sellest järeldame, et Coulombi seadus (10.1) dielektrikusse paigutatud punktlaengute jaoks on kujul

Elektriline läbilaskvus

Elektriline läbitavus on väärtus, mis iseloomustab kondensaatori plaatide vahele asetatud dielektriku mahtuvust. Nagu teate, sõltub lamekondensaatori mahtuvus plaatide pindala suurusest (mida suurem on plaatide pindala, seda suurem on mahtuvus), plaatide vahelisest kaugusest või dielektriku paksusest. (mida paksem on dielektrik, seda väiksem on mahtuvus), samuti dielektriku materjalil, mille tunnuseks on elektriline läbilaskvus.

Arvuliselt on elektriline läbilaskvus võrdne kondensaatori ja sama õhukondensaatori mis tahes dielektriku mahtuvuse suhtega. Kompaktsete kondensaatorite loomiseks on vaja kasutada suure elektrilise läbilaskvusega dielektrikuid. Enamiku dielektrikute elektriline läbitavus on mitu ühikut.

Tehnoloogias on saadud kõrge ja ülikõrge elektrilise läbilaskvusega dielektrikuid. Nende põhiosa on rutiil (titaandioksiid).

Joonis 1. Söötme elektriline läbilaskvus

Dielektrilise kao nurk

Artiklis "Dielektrikud" analüüsisime näiteid dielektriku kaasamisest alalis- ja vahelduvvooluahelatesse. Selgus, et tõeline dielektrik, kui ta töötab vahelduvpinge poolt moodustatud elektriväljas, vabastab soojusenergiat. Sel juhul neeldunud võimsust nimetatakse dielektrilisteks kadudeks. Artiklis "Mahtuvust sisaldav vahelduvvooluahel" tõestatakse, et ideaalses dielektrikus juhib mahtuvusvool pinget alla 90 ° nurga. Reaalses dielektrikus juhib mahtuvuslik vool pinget alla 90° nurga. Nurga vähenemist mõjutab lekkevool, mida muidu nimetatakse juhtivusvooluks.

Vahet 90° ja nihkenurga vahel pinge ja voolu vahel, mis voolab reaalse dielektrikuga ahelas, nimetatakse dielektrilise kadunurgaks või kadunurgaks ja seda tähistatakse δ (delta). Sagedamini ei määrata nurka ennast, vaid selle nurga puutujat -tg δ.

On kindlaks tehtud, et dielektrilised kaod on võrdelised pinge, vahelduvvoolu sageduse, kondensaatori mahtuvuse ja dielektrilise kao tangensi ruuduga.

Seega, mida suurem on dielektrilise kao puutuja tan δ, seda suurem on dielektriku energiakadu, seda halvem on dielektriline materjal. Materjalid, mille tg δ (suurusjärgus 0,08–0,1 või rohkem) on halvad isolaatorid. Suhteliselt väikese tg δ (suurusjärgus 0,0001) materjalid on head isolaatorid.

VIRTUAALNE LABORITÖÖ nr 3 ON

TAHKEOLEKU FÜÜSIKA

Kõikide õppevormide tehniliste erialade üliõpilaste "Tahkefaasi" füüsika sektsiooni laboritöö nr 3 läbiviimise juhend

Krasnojarsk 2012

Ülevaataja

Füüsikaliste ja matemaatikateaduste kandidaat, dotsent O.N. Bandurina

(Siberi Riiklik Lennundusülikool

nime saanud akadeemik M.F. Reshetnev)

Avaldatud IKT metoodilise komisjoni otsusel

Pooljuhtide dielektrilise konstandi määramine. Tahkisfüüsika virtuaalne laboritöö nr 3: Juhend laboritöö nr 3 läbiviimiseks füüsika sektsioonis "Tahkeosake" tehnika eriala üliõpilastele. spetsialist. kõik haridusvormid / koost: A.M. Harkiv; Sib. olek kosmoselennundus un-t. - Krasnojarsk, 2012. - 21 lk.

Siberi osariigi lennundus

Ülikool sai nime akadeemik M.F. Reshetneva, 2012

Sissejuhatus…………………………………………………………………………………4

Vastuvõtt laboritööle………………………………………………………………

Laboratoorsete tööde registreerimine kaitseks…………………………………………4

Pooljuhtide dielektrilise konstandi määramine…………........5

Meetodi teooria………………………………………………………………………………………….

Dielektrilise konstandi mõõtmise meetod…………………..……..11

Mõõtmistulemuste töötlemine…………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………….

Kontrollküsimused……………………………………………………………….17

Test………………………………………………………………………………………….17

Viited………………………………………………………………………20

Taotlemine…………………………………………………………………………………21

SISSEJUHATUS

Need juhised sisaldavad tahkisfüüsika kursuse virtuaalmudeleid kasutavate laboritööde kirjeldusi.

Juurdepääs laboritöödele:

Viib läbi õpetaja rühmades iga õpilase personaalse küsitlusega. Sissepääs:

1) Iga üliõpilane koostab sellest laboritööst eelnevalt isikliku kokkuvõtte;

2) Õpetaja kontrollib individuaalselt konspekti kujundust ja esitab küsimusi teooria, mõõtmismeetodite, paigalduse ja tulemuste töötlemise kohta;

3) õpilane vastab esitatud küsimustele;

4) Õpetaja lubab õpilasel töötada ja paneb õpilase referaadile oma allkirja.

Laboritööde registreerimine kaitseks:

Täielikult valmis ja kaitsetööks ettevalmistatud peab vastama järgmistele nõuetele:

Kõikide punktide täitmine: kõik vajalike väärtuste arvutused, kõik tindiga täidetud tabelid, kõik graafikud ehitatud jne.

Graafikud peavad vastama kõigile õpetaja nõuetele.

Kõikide tabelites olevate koguste puhul tuleb märkida vastav mõõtühik.

Iga graafiku kohta salvestatud järeldused.

Vastus kirjutatakse ettenähtud vormis.

Salvestatud järeldused vastuse kohta.

POOLJUHTIDE DIELEKTRILISE TAKIstuse MÄÄRAMINE

Meetodi teooria

Polarisatsioon on dielektriku võime polariseeruda elektrivälja toimel, s.o. muuta ruumis dielektriku seotud laetud osakeste asukohta.

Dielektrikute olulisim omadus on nende võime elektriliseks polarisatsiooniks, s.o. elektrivälja mõjul toimub laetud osakeste või molekulide suunatud nihkumine piiratud vahemaa tagant. Elektrivälja toimel nihkuvad laengud nii polaarsetes kui ka mittepolaarsetes molekulides.

Erinevaid polarisatsioonitüüpe on üle tosina. Vaatleme mõnda neist:

1. Elektrooniline polarisatsioon on elektronide orbiitide nihkumine positiivselt laetud tuuma suhtes. See esineb mis tahes aine kõigis aatomites, s.t. kõigis dielektrikutes. Elektrooniline polarisatsioon tuvastatakse 10 -15 -10 -14 sekundiga.

2. Iooniline polarisatsioon- vastaslaenguga ioonide nihkumine üksteise suhtes ioonsete sidemetega ainetes. Selle asutamise aeg on 10 -13 -10 -12 s. Elektrooniline ja ioonne polarisatsioon on polarisatsiooni hetkeliste või deformatsioonitüüpide hulgas.

3. Dipool ehk orientatsiooniline polarisatsioon dipoolide elektrivälja suunalise orientatsiooni tõttu. Dipooli polarisatsiooni omavad polaarsed dielektrikud. Selle loomise aeg on 10 -10 -10 -6 s. Dipoolpolarisatsioon on üks aeglaseid või lõdvestavaid polarisatsioonitüüpe.

4. Rändepolarisatsioon täheldatud ebahomogeensetes dielektrikutes, milles elektrilaengud kogunevad ebahomogeensuste lõigu piirile. Rändepolarisatsiooni kehtestamise protsessid on väga aeglased ja võivad kesta minuteid või isegi tunde.

5. Ioonide relaksatsiooni polarisatsioon nõrgalt seotud ioonide liigse ülekandumise tõttu elektrivälja toimel võrekonstanti ületavatel vahemaadel. Ioonide lõdvestuspolarisatsioon avaldub mõnes kristalses aines ioonide kujul esinevate lisandite või kristallvõre lahtise pakkimise korral. Selle loomise aeg on 10 -8 -10 -4 s.

6. Elektrooniline lõõgastuspolarisatsioon tekib liigsete "defektsete" elektronide või soojusenergia poolt ergastavate "aukude" tõttu. Selline polarisatsioon põhjustab reeglina läbilaskvuse kõrget väärtust.

7. Spontaanne polarisatsioon- spontaanne polariseerumine, mis esineb mõnes aines (näiteks Rochelle'i sool) teatud temperatuurivahemikus.

8. Elastne-dipoolne polarisatsioon seotud dipoolide elastse pöörlemisega väikeste nurkade kaudu.

9. Jääkpolarisatsioon- polarisatsioon, mis püsib osades ainetes (elektreetides) pikka aega peale elektrivälja eemaldamist.

10. resonantspolarisatsioon. Kui elektrivälja sagedus on lähedane dipoolvõnkumiste omasagedusele, võivad molekulide võnked suureneda, mis toob kaasa resonantspolarisatsiooni ilmnemise dipooldielektrikus. Resonantspolarisatsiooni täheldatakse sagedustel, mis asuvad infrapunavalguse piirkonnas. Tõelisel dielektrikul võib samaaegselt olla mitut tüüpi polarisatsiooni. Ühte või teist tüüpi polarisatsiooni esinemise määravad ära aine füüsikalis-keemilised omadused ja kasutatavate sageduste vahemik.

Peamised parameetrid:

ε on läbitavus on materjali polariseerumisvõime mõõt; see on väärtus, mis näitab, mitu korda on elektrilaengute vastastikmõju antud materjalis väiksem kui vaakumis. Dielektriku sees on väli, mis on suunatud välise vastas.

Välisvälja tugevus nõrgeneb võrreldes samade laengute väljaga vaakumis ε korda, kus ε on suhteline läbitavus.

Kui kondensaatori plaatide vaheline vaakum asendatakse dielektrikuga, siis polarisatsiooni tulemusena suureneb mahtuvus. See on läbilaskvuse lihtsa määratluse aluseks:

kus C 0 on kondensaatori mahtuvus, mille plaatide vahel on vaakum.

C d on sama kondensaatori mahtuvus dielektrikuga.

Isotroopse keskkonna läbilaskvus ε määratakse seosega:

(2)

kus χ on dielektriline vastuvõtlikkus.

D = tg δ on dielektrilise kao puutuja

Dielektrilised kaod - elektrienergia kaod, mis on tingitud voolude voolamisest dielektrikutes. Eristada läbijuhtivusvoolu I sk.pr, mis on põhjustatud vähesest kergesti liikuvate ioonide olemasolust dielektrikutes, ja polarisatsioonivoolusid. Elektroonilise ja ioonse polarisatsiooni korral nimetatakse polarisatsioonivoolu nihkevooluks I cm, see on väga lühiajaline ja seda ei registreerita instrumentidega. Aeglase (lõdvestava) polarisatsioonitüübiga seotud voolusid nimetatakse neeldumisvooludeks I abs. Üldjuhul defineeritakse koguvool dielektrikus järgmiselt: I = I abs + I efektiivväärtus. Pärast polarisatsiooni kindlaksmääramist on koguvool võrdne: I=I efektiivväärtus. Kui konstantses väljas tekivad pinge sisse- ja väljalülitamise hetkel polarisatsioonivoolud ning koguvool määratakse võrrandiga: I \u003d I sk.pr, siis vahelduvas väljas tekivad hetkel polarisatsioonivoolud. pinge polaarsuse muutmisest. Selle tulemusena võivad kaod dielektrikus vahelduvas väljas olla märkimisväärsed, eriti kui rakendatud pinge pooltsükkel läheneb polarisatsiooni settimisajale.

Joonisel fig. 1(a) kujutab vooluahelat, mis on samaväärne dielektrilise kondensaatoriga vahelduvpingeahelas. Selles vooluringis asendatakse reaalse dielektrikuga kondensaator, millel on kadusid, ideaalse kondensaatoriga C, mille aktiivtakistus R on ühendatud paralleelselt. 1(b) kujutab vaadeldava vooluahela voolude ja pingete vektordiagrammi, kus U on ahela pinged; I ak - aktiivne vool; I p - reaktiivvool, mis on faasis aktiivsest komponendist 90 ° ees; I ∑ - koguvool. Sel juhul: I a =I R =U/R ja I p =I C =ωCU, kus ω on vahelduva välja ringsagedus.

Riis. 1. a) skeem; (b) - voolude ja pingete vektorskeem

Dielektrilise kao nurk on nurk δ, mis täiendab kuni 90 ° faasinihke nurka φ mahtuvusliku vooluahela voolu I ∑ ja pinge U vahel. Dielektrikute kadusid vahelduvväljas iseloomustatakse dielektrilise kao puutujaga: tg δ=I a / I p.

Kõrgsageduslike dielektrikute dielektrilise kadude puutuja piirväärtused ei tohiks ületada (0,0001–0,0004) ja madalsageduslike dielektrikute puhul (0,01–0,02).

ε ja tan δ sõltuvused temperatuurist T ja sagedusest ω

Materjalide dielektrilised parameetrid sõltuvad erineval määral temperatuurist ja sagedusest. Suur hulk dielektrilisi materjale ei võimalda meil katta kõigi nendest teguritest tulenevate sõltuvuste tunnuseid.

Seetõttu on joonisel fig. 2 (a, b) näitab mõningate põhirühmade üldisi suundumusi, st. Näidatud on läbilaskvuse ε tüüpilised sõltuvused temperatuurist T (a) ja sagedusest ω (b).

Riis. 2. Läbilaskvuse tegelike (ε') ja imaginaarsete (ε') osade sagedussõltuvus orientatsioonilise lõdvestusmehhanismi olemasolul

Kompleksne läbilaskvus. Lõõgastusprotsesside olemasolul on mugav läbitavus kirjutada keerulisel kujul. Kui Debye'i valem kehtib polariseeritavuse jaoks:

(3)

kus τ on relaksatsiooniaeg, α 0 on statistiline orientatsiooniline polariseeritavus. Siis, eeldades, et kohalik väli on võrdne välisega, saame (CGS-is):

εʹ ja εʺ sõltuvuse graafikud korrutisest ωτ on näidatud joonisel fig. 2. Pange tähele, et εʹ (ε tegelik osa) vähenemine toimub εʺ maksimumi (ε kujuteldava osa) lähedal.

Selline εʹ ja εʺ käitumine sagedusega on sagedane näide üldisemast tulemusest, mille kohaselt εʹ(ω) sagedusel toob kaasa ka εʺ(ω) sõltuvuse sagedusest. SI-süsteemis tuleks 4π asendada 1/ε 0-ga.

Rakendusvälja toimel polariseeritakse mittepolaarses dielektrikus olevad molekulid, muutudes dipoolideks indutseeritud dipoolmomendiga μ ja, võrdeline väljatugevusega:

(5)

Polaarses dielektrikus on polaarse molekuli dipoolmoment μ üldiselt võrdne tema enda μ 0 ja indutseeritud μ vektori summaga ja hetked:

(6)

Nende dipoolide tekitatud väljatugevused on võrdelised dipoolmomendiga ja pöördvõrdelised kauguse kuubiga.

Mittepolaarsete materjalide puhul tavaliselt ε = 2 – 2,5 ja ei sõltu sagedusest kuni ω ≈10 12 Hz. ε sõltuvus temperatuurist tuleneb sellest, et selle muutumisel muutuvad tahke aine lineaarmõõtmed ning vedelate ja gaasiliste dielektrikute mahud, mis muudab molekulide arvu n ruumalaühiku kohta.

ja nendevaheline kaugus. Kasutades dielektrikute teooriast tuntud seoseid F=n\μ ja ja F=ε 0 (ε - 1)E, kus F on materjali polarisatsioon, mittepolaarsete dielektrikute jaoks on meil:

(7)

E=const korral ka μ ja= const ja temperatuuri muutus ε-s on tingitud ainult n muutusest, mis on temperatuuri Θ lineaarfunktsioon, ka sõltuvus ε = ε(Θ) on lineaarne. Polaarsete dielektrikute puhul analüütilisi sõltuvusi ei ole ja tavaliselt kasutatakse empiirilisi sõltuvusi.

1) Temperatuuri tõustes dielektriku maht suureneb ja dielektriline konstant veidi väheneb. ε vähenemine on eriti märgatav mittepolaarsete dielektrikute pehmenemise ja sulamise perioodil, mil nende maht oluliselt suureneb. Tänu elektronide kõrgele sagedusele orbiitidel (suurusjärgus 1015–1016 Hz) on elektronide polarisatsiooni tasakaaluseisundi saavutamise aeg väga lühike ja mittepolaarsete dielektrikute läbilaskvus ε ei sõltu tavaliselt välja sagedusest. kasutatud sagedusvahemik (kuni 1012 Hz).

2) Temperatuuri tõustes üksikute ioonide vahelised sidemed nõrgenevad, mis hõlbustab nende vastasmõju välisvälja toimel ning see toob kaasa ioonse polarisatsiooni ja läbilaskvuse ε suurenemise. Ioonse polarisatsiooni oleku kindlakstegemise lühikese aja tõttu (suurusjärgus 10 13 Hz, mis vastab ioonide võnke loomulikule sagedusele kristallvõres) muutub välisvälja sagedus tavapärasel töörežiimil. vahemikud praktiliselt ei mõjuta ioonsete materjalide ε väärtust.

3) Polaarsete dielektrikute läbilaskvus sõltub tugevalt välisvälja temperatuurist ja sagedusest. Temperatuuri tõustes suureneb osakeste liikuvus ja väheneb nendevahelise interaktsiooni energia, s.t. nende orientatsioon on välise välja toimel kergendatud – dipooli polarisatsioon ja läbilaskvus suurenevad. Kuid see protsess jätkub ainult teatud temperatuurini. Temperatuuri edasise tõusuga läbilaskvus ε väheneb. Kuna dipoolide orienteerumine välja suunas toimub soojusliikumise protsessis ja soojusliikumise abil, nõuab polarisatsiooni kehtestamine märkimisväärset aega. See aeg on nii pikk, et vahelduvates kõrgsagedusväljades ei ole dipoolidel aega mööda välja orienteeruda ja läbilaskvus ε langeb.

Läbilaskvuse mõõtmise meetod

Kondensaatori mahtuvus. Kondensaator- see on kahest dielektrikuga eraldatud juhist (plaadist) koosnev süsteem, mille paksus on juhtmete lineaarsete mõõtmetega võrreldes väike. Näiteks kaks lamedat metallplaati, mis asuvad paralleelselt ja on eraldatud dielektrilise kihiga, moodustavad kondensaatori (joonis 3).

Kui lamekondensaatori plaatidele antakse võrdsed vastupidise märgiga laengud, on plaatide vaheline elektrivälja tugevus kaks korda suurem kui ühe plaadi väljatugevus:

(8)

kus ε on plaatidevahelist ruumi täitva dielektriku läbilaskvus.

Füüsiline kogus, mis on määratud laadimissuhtega qüks kondensaatori plaatidest kondensaatoriplaatide potentsiaalide erinevusele Δφ nimetatakse mahtuvus:

(9)

Elektrilise võimsuse ühik SI - Farad(F). Sellise kondensaatori võimsus on 1 F, mille plaatide potentsiaalide erinevus on 1 V, kui plaatidele on antud vastandlaeng 1 C: 1 F = 1 C / 1 V.

Lamekondensaatori mahtuvus. Lamekondensaatori elektrilise mahtuvuse arvutamise valemi saab avaldise (8) abil. Tõepoolest, väljatugevus: E= φ/εε 0 = q/εε 0 S, kus S on plaadi pindala. Kuna väli on ühtlane, on kondensaatoriplaatide potentsiaalide erinevus: φ 1 - φ 2 = Ed = qd/εε 0 S, kus d- plaatide vaheline kaugus. Asendades valemiga (9), saame lamekondensaatori elektrilise mahtuvuse avaldise:

(10)

kus ε 0 on õhu dielektriline konstant; S on kondensaatori plaadi pindala, S=hl, kus h- plaadi laius, l- selle pikkus; d on kondensaatori plaatide vaheline kaugus.

Avaldis (10) näitab, et kondensaatori mahtuvust saab suurendada pindala suurendamisega S selle plaadid, vähendades kaugust d nende vahel ja suurte läbilaskevõime ε väärtustega dielektrikute kasutamine.

Riis. 3. Kondensaator, millesse on asetatud dielektrik

Kui kondensaatori plaatide vahele asetada dielektriline plaat, muutub kondensaatori mahtuvus. Arvesse tuleks võtta dielektrilise plaadi asukohta kondensaatori plaatide vahel.

Tähistage: d c - õhupilu paksus, d m on dielektrilise plaadi paksus, l B on kondensaatori õhuosa pikkus, l m on dielektrikuga täidetud kondensaatori osa pikkus, ε m on materjali dielektriline konstant. Võttes seda arvesse l = l sisse + l m, a d = d sisse + d m, siis võib järgmistel juhtudel kaaluda järgmisi võimalusi:

Millal l at = 0, d at = 0 meil on tahke dielektrikuga kondensaator:

(11)

Klassikalise makroskoopilise elektrodünaamika võrranditest, mis põhinevad Maxwelli võrranditel, järeldub, et kui dielektrik asetatakse nõrgasse vahelduvasse välja, mis muutub harmoonilise seaduse järgi sagedusega ω, saab kompleksläbivuse tensor kuju:

(12)

kus σ on aine optiline juhtivus, εʹ on aine läbilaskvus dielektriku polarisatsiooni suhtes. Avaldise (12) saab taandada järgmisele kujule:

kus kujuteldav termin vastutab dielektriliste kadude eest.

Praktikas mõõdetakse C - lamekondensaatori kujul oleva proovi mahtuvust. Seda kondensaatorit iseloomustab dielektrilise kao puutuja:

tgδ=ωCR c (14)

või headus:

Q c = 1/tanδ (15)

kus R c on takistus, mis sõltub peamiselt dielektrilistest kadudest. Nende karakteristikute mõõtmiseks on mitmeid meetodeid: erinevad sillameetodid, mõõtmised mõõdetud parameetri ajaintervalliks teisendamisega jne. .

Käesolevas töös mahtuvuse C ja dielektrilise kadude tangensi D = tgδ mõõtmisel kasutasime GOOD WILL INSTRUMENT CO Ltd kampaanias välja töötatud tehnikat. Mõõtmised viidi läbi immitantsi täppismõõturiga LCR-819-RLC. Seade võimaldab mõõta mahtuvust vahemikus 20 pF–2,083 mF, kadude tangenti vahemikus 0,0001–9999 ja rakendada nihkevälja. Sisepinge kuni 2 V, välispinge kuni 30 V. Mõõtmise täpsus on 0,05%. Testsignaali sagedus 12 Hz -100 kHz.

Selles töös viidi mõõtmised läbi sagedusega 1 kHz temperatuurivahemikus 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 .

Temperatuurisõltuvuste saamiseks asetatakse kamber koos prooviga soojusvaheti kaudu juhitavasse jahutusvedeliku (lämmastiku) voolu, mille temperatuuri reguleerib küttekeha. Küttekeha temperatuuri juhib termostaat. Temperatuurimõõdiku tagasiside termostaadile võimaldab teil määrata temperatuuri mõõtmise kiiruse või selle stabiliseerimise. Temperatuuri reguleerimiseks kasutatakse termopaari. Selles töös muudeti temperatuuri kiirusega 1 kraad/min. See meetod võimaldab mõõta temperatuuri 0,1 kraadise veaga.

Mõõteelement koos sellele kinnitatud prooviga asetatakse voolukrüostaati. Lahtri ühendamine LCR-meetriga toimub varjestatud juhtmete kaudu krüostaadi korgis oleva pistiku kaudu. Krüostaat asetatakse FL-1 elektromagneti pooluste vahele. Magneti toiteallikas võimaldab saada kuni 15 kOe magnetvälju. Magnetvälja H suuruse mõõtmiseks kasutatakse termiliselt stabiliseeritud Halli andurit koos elektroonikaplokiga. Magnetvälja stabiliseerimiseks on toiteallika ja magnetvälja mõõtja vahel tagasiside.

Mahtuvuse C ja kadude tangensi D = tan δ mõõdetud väärtused on seotud otsitavate füüsikaliste suuruste εʹ ja εʺ väärtustega järgmiste seostega:

(16)

(17)

Tabel number 1. Gd x Mn 1-x S, (x=0,1).