Relatív permittivitás

A DIELEKTROMOS ÁLLANDÓ (dielektromos állandó) egy olyan fizikai mennyiség, amely egy anyag azon képességét jellemzi, hogy csökkentse az anyag elektromos kölcsönhatási erőit a vákuumhoz képest. Így a D. p. megmutatja, hogy az elektromos kölcsönhatás erői az anyagban hányszor kisebbek, mint a vákuumban.

D. p. - olyan jellemző, amely a dielektromos anyag szerkezetétől függ. Az elektronok, ionok, atomok, molekulák vagy ezek egyes részei és bármely anyag nagyobb része egy elektromos térben polarizálódik (lásd Polarizáció), ami a külső elektromos tér részleges semlegesítéséhez vezet. Ha az elektromos tér frekvenciája arányos az anyag polarizációs idejével, akkor egy bizonyos frekvenciatartományban a diszperzív részecske diszperziója, azaz nagyságának frekvenciától való függése van (lásd Diszperzió). Egy anyag DP-je függ mind az atomok és molekulák elektromos tulajdonságaitól, mind pedig azok kölcsönös elrendezésétől, vagyis az anyag szerkezetétől. Ezért a D. p. definícióját vagy annak a környező körülményektől függő változásait használják egy anyag szerkezetének, különösen a test különböző szöveteinek vizsgálatakor (lásd: Biológiai rendszerek elektromos vezetőképessége).

A különböző anyagok (dielektrikumok) szerkezetüktől és aggregációs állapotuktól függően eltérő D. p. értékkel rendelkeznek (táblázat).

Asztal. Egyes anyagok permittivitásának értéke

Különös jelentőségű az orvosi - biol, kutatás a D. és. poláris folyadékokban. Tipikus képviselőjük a víz, amely dipólusokból áll, amelyek a dipólus és a mező töltései közötti kölcsönhatás következtében elektromos térben orientálódnak, ami dipólus vagy orientációs polarizáció megjelenéséhez vezet. A víz nagy D. p. értéke (80 t ° 20 ° -on) meghatározza a különböző vegyi anyagok nagyfokú disszociációját. anyagok és a sók, to-t, bázisok és egyéb vegyületek jó oldhatósága (lásd Disszociáció, Elektrolitok). A vízben lévő elektrolit koncentrációjának növekedésével a DP értéke csökken (például az egyértékű elektrolitok esetében a víz DP-je eggyel csökken, ha a sókoncentráció 0,1 M-rel nő).

A biol, objektumok többsége a heterogén dielektrikumok közé tartozik. A biol ionok kölcsönhatásakor a metszet határainak elektromos térrel polarizálódó tárgya lényeges értékkel bír (lásd Membránok biológiai ). Minél nagyobb a polarizáció nagysága, annál kisebb az elektromos tér frekvenciája. Mivel a biol határfelület polarizációja az objektum ionok áteresztőképességétől függ (lásd), nyilvánvaló, hogy az effektív D. p.-t nagymértékben meghatározza a membránok állapota.

Mivel egy ilyen összetett heterogén objektum polarizációja, mint biológiaié, eltérő természetű (koncentráció, makrostrukturális, orientációs, ionos, elektronikus stb.), világossá válik, hogy a frekvencia növekedésével a D. p. (szórás) változása élesen kifejezve. Hagyományosan a D. p.-nek három diszperziós területe van: alfa-szórás (1 kHz-ig terjedő frekvenciákon), béta-szórás (néhány kHz-től több tíz MHz-ig terjedő frekvencia) és gamma-szórás (10 9 Hz feletti frekvenciák); biol, objektumokban általában nincs egyértelmű határ a szóródási területek között.

A romlási funkcióknál, állítja biol, a D. objektum diszperziója alacsony frekvenciákon egészen a teljes eltűnésig (szövetelhaláskor) csökken. Magas frekvenciákon a D. p. nagysága nem változik jelentősen.

A D.p. mérése széles frekvencia tartományban történik, és a frekvenciatartománytól függően a mérési módszerek is jelentősen változnak. 1 Hz-nél kisebb elektromos áram frekvencián a mérést a vizsgált anyaggal töltött kondenzátor feltöltésének vagy kisütésének módszerével kell elvégezni. A töltő- vagy kisütési áram időfüggőségének ismeretében nemcsak a kondenzátor elektromos kapacitásának értékét, hanem a benne lévő veszteségeket is meg lehet határozni. 1-3 10 8 Hz-es frekvenciákon D. mérésére és. speciális rezonancia- és hídmódszereket alkalmaznak, amelyek a legteljesebb és legsokoldalúbb módon teszik lehetővé a különböző anyagok D. változásainak átfogó vizsgálatát.

Az orvostudományban a kutatások leggyakrabban szimmetrikus váltakozó áramú hidakat használnak a mért méretek közvetlen leolvasásával.

Bibliográfia: Dielektrikumok és félvezetők nagyfrekvenciás melegítése, szerk. A. V. Netushila, M. - L., 1959, bibliográfia; Edunov B. I. és Fran to-K és me-n of e c to and y D. A. Biológiai objektumok dielektromos állandója, Usp. fizikai Sciences, 79. kötet, c. 4. o. 617, 1963, bibliogr.; Elektronika és kibernetika a biológiában és az orvostudományban, ford. angolból, szerk. P. K. Anokhin, p. 71, M., 1963, bibliogr.; Em F. Dielektromos mérések, ford. németből., M., 1967, bibliogr.

19. előadás

1. A gáznemű, folyékony és szilárd dielektrikumok elektromos vezetőképességének természete

A dielektromos állandó

Relatív permittivitás, ill permittivitás ε a dielektrikum egyik legfontosabb makroszkopikus elektromos paramétere. A dielektromos állandóε kvantitatívan jellemzi a dielektrikum elektromos térben való polarizációs képességét, és értékeli a polaritásának mértékét is; ε a dielektromos anyag állandója adott hőmérsékleten és az elektromos feszültség frekvenciáján, és azt mutatja meg, hogy egy dielektrikummal rendelkező kondenzátor töltése hányszor nagyobb, mint egy azonos méretű kondenzátor töltése vákuummal.

A dielektromos állandó határozza meg a termék elektromos kapacitásának értékét (kondenzátor, kábelszigetelés stb.). Lapos kondenzátor kapacitáshoz TÓL TŐL,Ф, az (1) képlettel fejezhető ki

ahol S a mérőelektróda területe, m 2 ; h a dielektrikum vastagsága, m. Az (1) képletből látható, hogy minél nagyobb az érték ε dielektrikum, annál nagyobb az azonos méretű kondenzátor kapacitása. A C elektromos kapacitás viszont a felületi töltés arányossági együtthatója QK, felhalmozott kondenzátor, és a rákapcsolt elektromos feszültség

fonás U(2):

A (2) képletből következik, hogy az elektromos töltés QK, a kondenzátor által felhalmozott érték arányos ε dielektrikum. Tudva QK meghatározhatja a kondenzátor geometriai méreteit ε dielektromos anyag adott feszültséghez.

Tekintsük a töltésképződés mechanizmusát QK dielektrikummal ellátott kondenzátor elektródáin és milyen összetevők alkotják ezt a töltést. Ehhez veszünk két azonos geometriai méretű lapos kondenzátort: ​​az egyik vákuum, a másik egy dielektrikummal kitöltött elektródák közötti térrel, és ugyanazt a feszültséget kapcsoljuk rájuk. U(1. ábra). Az első kondenzátor elektródáin töltés keletkezik Q0, a második elektródáin - QK. Viszont töltés QK a díjak összege Q0és K(3):

Díj K A 0-t egy külső E0 mező alakítja ki a kondenzátor elektródáin σ 0 felületi sűrűségű külső töltések felhalmozásával. K- ez egy további töltés a kondenzátor elektródáin, amelyet elektromos feszültségforrás hoz létre a dielektrikum felületén kialakuló kötött töltések kompenzálására.

Egy egyenletesen polarizált dielektrikumban a töltés K a kötött töltések felületi sűrűségének σ felel meg. A σ töltés egy E sz mezőt alkot, amely az E O mezővel szemben irányul.

A vizsgált dielektrikum permittivitása töltésviszonyként ábrázolható QK dielektrikummal töltött kondenzátor töltésére Q0 ugyanaz a kondenzátor vákuummal (3):

A (3) képletből következik, hogy a permittivitás ε - az érték dimenzió nélküli, és bármely dielektrikum esetében nagyobb, mint az egység; vákuum esetén ε = 1. A vizsgált példából is

látható, hogy a töltéssűrűség egy dielektrikumú kondenzátor elektródáin ε szor nagyobb, mint a töltéssűrűség a kondenzátor elektródáin vákuummal, és az intenzitás azonos feszültség mellett mindkettőnél

kondenzátoraik azonosak és csak a feszültség nagyságától függenek Ués az elektródák közötti távolság (E = U/h).

A relatív permittivitás mellett ε megkülönböztetni abszolút permittivitás ε a, FM 4)

amelynek nincs fizikai jelentése és az elektrotechnikában használják.

Az εr permittivitás relatív változását a hőmérséklet 1 K-vel történő növekedésével a permittivitás hőmérsékleti együtthatójának nevezzük.

TKε = 1/ εr d εr/dT K-1 20°C-os levegőnél TK εr = -2,10-6K-

A ferroelektromos anyagok elektromos öregedését az εr időbeli csökkenésében fejezzük ki. Ennek oka a tartományok átrendeződése.

Különösen éles időbeli változás a permittivitásban a Curie-ponthoz közeli hőmérsékleten figyelhető meg. A ferroelektromos anyagok Curie-pont feletti hőmérsékletre hevítése és ezt követő hűtése visszaállítja az εr-t az előző értékre. A dielektromos permittivitás ugyanezen helyreállítása végrehajtható úgy, hogy a ferroelektromos anyagot megnövelt erősségű elektromos térnek tesszük ki.

Komplex dielektrikumok esetén - két különböző εr-vel rendelkező komponens mechanikai keveréke az első közelítésben: εrx = θ1 εr1x θ εr2x, ahol θ a keverék komponenseinek térfogati koncentrációja, εr a keverékkomponens relatív permittivitása.

A dielektromos polarizációt a következők okozhatják: mechanikai terhelések (piezopolarizáció piezoelektromosban); melegítés (piropolarizáció piroelektromos anyagokban); fény (fotopolarizáció).

A dielektrikum polarizált állapotát E elektromos térben az egységnyi térfogatra eső elektromos nyomaték, a polarizáció Р, C/m2 jellemzi, ami a relatív permittivitásához kapcsolódik pl.: Р = e0 (pl. - 1)Е, ahol e0 = 8,85∙10-12 F/m. Az e0∙eg =e, F/m szorzatot abszolút permittivitásnak nevezzük. A gáznemű dielektrikumokban pl. alig tér el az 1,0-tól, nem poláris folyadékban és szilárd halmazállapotban eléri az 1,5 - 3,0 értéket, polárisakban nagyok az értékei; ionos kristályokban pl. - 5-MO, és perovskit kristályrácsosakban eléri a 200-at; ferroelektromosban pl. - 103 és több.

A nempoláris dielektrikumokban pl. a hőmérséklet emelkedésével enyhén csökken, a poláris változásoknál az egyik vagy másik típusú polarizáció túlsúlya társul, ionos kristályokban növekszik, egyes ferroelektromosoknál Curie hőmérsékleten eléri a 104-et és még többet. A hőmérsékletváltozásokat pl. hőmérsékleti együttható jellemzi. A poláris dielektrikumok esetében jellemző a csökkenés pl. a frekvenciatartományban, ahol a t polarizációs idő arányos T/2-vel.

Hasonló információk.

A kondenzátor kapacitása a tapasztalatok szerint nemcsak az alkotó vezetők méretétől, alakjától és egymáshoz viszonyított helyzetétől függ, hanem a vezetők közötti teret kitöltő dielektrikum tulajdonságaitól is. A dielektrikum hatását a következő kísérlet segítségével állapíthatjuk meg. Töltünk egy lapos kondenzátort, és feljegyezzük egy elektrométer leolvasását, amely méri a kondenzátor feszültségét. Ezután helyezzünk egy töltetlen ebonit lemezt a kondenzátorba (63. ábra). Látni fogjuk, hogy a lemezek közötti potenciálkülönbség érezhetően csökkenni fog. Ha eltávolítja az ebonitot, akkor az elektrométer leolvasása azonos lesz. Ez azt mutatja, hogy ha a levegőt ebonittal helyettesítjük, a kondenzátor kapacitása megnő. Ha az ebonit helyett más dielektrikumot veszünk, hasonló eredményt kapunk, de csak a kondenzátor kapacitásának változása lesz más. Ha - annak a kondenzátornak a kapacitása, amelynek lemezei között vákuum van, és - ugyanannak a kondenzátornak a kapacitása, amikor a lemezek közötti teljes teret légrés nélkül valamilyen dielektrikummal töltik, akkor a kapacitás szor nagyobb lesz, mint a kapacitás, ahol csak a dielektrikum jellegétől függ. Így lehet írni

Rizs. 63. A kondenzátor kapacitása megnő, ha egy ebonitlemezt a lemezei közé tolunk. Az elektrométer lapjai leesnek, bár a töltés változatlan marad

Az értéket relatív dielektromos állandónak vagy egyszerűen a kondenzátorlapok közötti teret kitöltő közeg dielektromos állandójának nevezzük. táblázatban. Az 1. ábra egyes anyagok permittivitásának értékeit mutatja.

1. táblázat Néhány anyag dielektromos állandója

A fentiek nemcsak lapos kondenzátorra igazak, hanem bármilyen alakú kondenzátorra is: a levegőt valamilyen dielektrikummal helyettesítve a kondenzátor kapacitását szorzóval növeljük.

Szigorúan véve a kondenzátor kapacitása csak akkor növekszik meg egy faktorral, ha az egyik lemezről a másikra tartó összes térvonal áthalad az adott dielektrikumon. Ez például egy kondenzátor lesz, amelyet teljesen elmerítenek valamilyen folyékony dielektrikumban, és egy nagy edénybe öntik. Ha azonban a lemezek közötti távolság a méretükhöz képest kicsi, akkor úgy tekinthető, hogy elegendő csak a lemezek közötti teret kitölteni, hiszen gyakorlatilag itt koncentrálódik a kondenzátor elektromos tere. Tehát egy lapos kondenzátorhoz elegendő csak a lemezek közötti teret kitölteni dielektrikummal.

A lemezek közé nagy dielektromos állandójú anyag elhelyezésével a kondenzátor kapacitása nagymértékben növelhető. Ezt használják a gyakorlatban, és általában nem levegőt, hanem üveget, paraffint, csillámot és egyéb anyagokat választanak dielektrikumként a kondenzátorhoz. ábrán. A 64. ábrán egy műszaki kondenzátor látható, amelyben paraffinnal impregnált papírszalag szolgál dielektrikumként. Burkolatai mindkét oldalán viaszos papírra préselt acéllemezek. Az ilyen kondenzátorok kapacitása gyakran eléri a több mikrofaradot. Tehát például egy gyufásdoboz méretű amatőr rádiókondenzátor kapacitása 2 mikrofarad.

Rizs. 64. Műszaki lapos kondenzátor: a) összeszerelve; b) részben bontott formában: 1 és 1 "- keretszalag, amelyek közé viaszos vékony papír szalagok 2 vannak lefektetve. Az összes szalagot "harmonika" segítségével összehajtjuk és fémdobozba helyezzük. A 3. és 3. érintkezők forrasztva az 1 és 1" szalagok végére, hogy az áramkörben kondenzátor legyen

Nyilvánvaló, hogy csak a nagyon jó szigetelő tulajdonságokkal rendelkező dielektrikumok alkalmasak kondenzátor gyártására. Ellenkező esetben a töltések átfolynak a dielektrikumon. Ezért a víz a nagy dielektromos állandója ellenére egyáltalán nem alkalmas kondenzátorok gyártására, mert csak a rendkívül gondosan tisztított víz kellően jó dielektrikum.

Ha a lapos kondenzátor lemezei közötti teret dielektromos állandójú közeggel töltjük meg, akkor a lapos kondenzátor (34.1) képlete a következő alakot veszi fel.

Az a tény, hogy egy kondenzátor kapacitása a környezettől függ, azt jelzi, hogy a dielektrikum belsejében az elektromos tér megváltozik. Láttuk, hogy ha egy kondenzátort megtöltünk egy dielektrikummal, amelynek permittivitása van, akkor a kapacitás szorzóval növekszik. Ez azt jelenti, hogy azonos töltések esetén a lemezeken a köztük lévő potenciálkülönbség egy faktorral csökken. De a potenciálkülönbséget és a térerőt a (30.1) összefüggés köti össze. Ezért a potenciálkülönbség csökkenése azt jelenti, hogy a dielektrikummal töltött kondenzátor térerőssége egy tényezővel csökken. Ez az oka a kondenzátor kapacitásának növekedésének. szor kevesebb, mint vákuumban. Ebből arra a következtetésre jutunk, hogy a (10.1) Coulomb-törvény dielektrikumba helyezett ponttöltésekre a következő alakkal rendelkezik:

Elektromos áteresztőképesség

Az elektromos permittivitás egy olyan érték, amely a kondenzátor lemezei közé helyezett dielektrikum kapacitását jellemzi. Mint tudod, a lapos kondenzátor kapacitása függ a lemezek területének méretétől (minél nagyobb a lemezek területe, annál nagyobb a kapacitás), a lemezek közötti távolságtól vagy a dielektrikum vastagságától (minél vastagabb a dielektrikum, annál kisebb a kapacitás), valamint a dielektrikum anyagán, amelynek jellemzője az elektromos áteresztőképesség.

Számszerűen az elektromos permeabilitás megegyezik a kondenzátor kapacitásának az azonos légkondenzátor bármely dielektrikumához viszonyított arányával. Kompakt kondenzátorok létrehozásához nagy elektromos áteresztőképességű dielektrikumokat kell használni. A legtöbb dielektrikum elektromos permittivitása több egység.

A technológiában nagy és ultranagy elektromos áteresztőképességű dielektrikumokat kaptak. Fő részük a rutil (titán-dioxid).

1. ábra A közeg elektromos permeabilitása

Dielektromos veszteségszög

A "Dielektrikumok" című cikkben példákat elemeztünk a dielektrikum egyen- és váltakozóáramú áramkörökbe való beépítésére. Kiderült, hogy egy valódi dielektrikum, amikor váltakozó feszültséggel kialakított elektromos térben működik, hőenergiát szabadít fel. A felvett teljesítményt ebben az esetben dielektromos veszteségnek nevezzük. A "Kapacitást tartalmazó váltóáramú áramkör" című cikkben bebizonyosodik, hogy egy ideális dielektrikumban a kapacitív áram 90 ° -nál kisebb szögben vezeti a feszültséget. Valódi dielektrikumban a kapacitív áram 90°-nál kisebb szögben vezeti a feszültséget. A szög csökkenését a szivárgó áram, más néven vezetési áram befolyásolja.

A valós dielektrikummal rendelkező áramkörben folyó feszültség és áram közötti 90° közötti eltérést dielektromos veszteségi szögnek vagy veszteségi szögnek nevezzük, és δ-vel (delta) jelöljük. Gyakrabban nem magát a szöget határozzák meg, hanem ennek a szögnek az érintőjét -tg δ.

Megállapítást nyert, hogy a dielektromos veszteségek arányosak a feszültség, az AC frekvencia, a kondenzátor kapacitásának és a dielektromos veszteség érintőjének négyzetével.

Ezért minél nagyobb a dielektromos veszteség tangens, tan δ, annál nagyobb az energiaveszteség a dielektrikumban, annál rosszabb a dielektrikum anyaga. A viszonylag nagy tg δ (0,08-0,1 vagy nagyobb nagyságrendű) anyagok gyenge szigetelők. A viszonylag kis tg δ (0,0001 nagyságrendű) anyagok jó szigetelők.

3. VIRTUÁLIS LABORATÓRIUMI MUNKÁT

A SZILÁRD ÁLLAPOT FIZIKÁJA

Útmutató a "Szilárdtest" fizika szekcióban végzett laboratóriumi munka végrehajtásához 3. sz. minden oktatási forma műszaki szakos hallgatói számára

Krasznojarszk 2012

Bíráló

A fizikai és matematikai tudományok kandidátusa, egyetemi docens O.N. Bandurina

(Szibériai Állami Repülési Egyetem

akadémikus, M.F. Reshetnev)

Megjelent az IKT módszertani bizottságának döntése alapján

Félvezetők dielektromos állandójának meghatározása. 3. számú virtuális laboratóriumi munka szilárdtestfizikában: Útmutató a 3. számú laboratóriumi munka végrehajtásához a fizika "Szilárdtest" részében műszaki hallgatók számára. szakember. minden oktatási forma / összeállítás: A.M. Kharkiv; Sib. állapot űrrepülés un-t. - Krasznojarszk, 2012. - 21 p.

Szibériai Állami Aerospace

M. F. akadémikusról elnevezett egyetem Reshetneva, 2012

Bevezetés…………………………………………………………………………………4

Laboratóriumi munkára felvétel…………………………………………………………………………………………

Laboratóriumi munka védelmi nyilvántartásba vétele…………………………………………4

Félvezetők dielektromos állandójának meghatározása…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

A módszer elmélete…………………………………………………………………………......5

A dielektromos állandó mérési módszere……………………..……..11

Mérési eredmények feldolgozása……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………….

Ellenőrző kérdések……………………………………………………………….17

Teszt……………………………………………………………………………………….17

Hivatkozások………………………………………………………………………………………………………………………………

Pályázat…………………………………………………………………………………21

BEVEZETÉS

Ezek az irányelvek a Szilárdtestfizika tanfolyam virtuális modelljeit használó laboratóriumi munkák leírását tartalmazzák.

Hozzáférés a laboratóriumi munkákhoz:

A tanár végzi csoportokban, minden tanuló személyes felmérésével. A belépéshez:

1) Minden hallgató előzetesen elkészíti személyes összefoglalóját erről a laboratóriumi munkáról;

2) A tanár egyénileg ellenőrzi az absztrakt kialakítását, és kérdéseket tesz fel az elmélettel, a mérési módszerekkel, az eredmények telepítésével és feldolgozásával kapcsolatban;

3) A tanuló válaszol a feltett kérdésekre;

4) A tanár engedélyezi a tanulónak, hogy dolgozzon, és aláírja a tanuló absztraktjába.

Laboratóriumi munka védelmi nyilvántartásba vétele:

A teljesen elkészült és felkészült védelmi munkának az alábbi követelményeknek kell megfelelnie:

Minden pont kitöltése: a szükséges értékek összes számítása, minden tintával kitöltött táblázat, minden grafikon felépítése stb.

A grafikonoknak meg kell felelniük a tanár összes követelményének.

A táblázatokban szereplő összes mennyiségre fel kell jegyezni a megfelelő mértékegységet.

Rögzített következtetések minden grafikonhoz.

A választ az előírt formában írják le.

Rögzített következtetések a válaszról.

FÉLVEZETŐK DIELEKTROMOS ELLENÁLLÁSÁNAK MEGHATÁROZÁSA

Módszerelmélet

Polarizáció a dielektrikum azon képessége, hogy elektromos tér hatására polarizálódjon, azaz. változtassa meg a térben a dielektrikum kötött töltött részecskéinek helyét.

A dielektrikumok legfontosabb tulajdonsága az elektromos polarizációs képességük, azaz. elektromos tér hatására korlátozott távolságon belül a töltött részecskék vagy molekulák irányított elmozdulása következik be. Az elektromos tér hatására a töltések elmozdulnak, mind a poláris, mind a nem poláris molekulákban.

Több mint egy tucat különböző típusú polarizáció létezik. Nézzünk meg néhányat közülük:

1. Elektronikus polarizáció az elektronpályák elmozdulása a pozitív töltésű atommaghoz képest. Bármely anyag minden atomjában előfordul, pl. minden dielektrikumban. Az elektronikus polarizáció 10 -15 -10 -14 másodperc alatt jön létre.

2. Ionos polarizáció- ellentétes töltésű ionok egymáshoz viszonyított elmozdulása ionos kötésekkel rendelkező anyagokban. Létrehozásának ideje 10 -13 -10 -12 s. Az elektronikus és ionos polarizáció a pillanatnyi vagy deformációs polarizáció típusok közé tartozik.

3. Dipólus vagy orientációs polarizáció a dipólusok elektromos tér irányú tájolása miatt. A dipólus polarizációt poláris dielektrikumok jellemzik. Létesítési ideje 10 -10 -10 -6 s. A dipólus polarizáció a polarizáció lassú vagy relaxációs típusai közé tartozik.

4. Migrációs polarizáció inhomogén dielektrikumoknál figyelhető meg, amelyekben az elektromos töltések az inhomogenitások szakaszának határán halmozódnak fel. A migrációs polarizáció létrejöttének folyamata nagyon lassú, és percekig vagy akár órákig is eltarthat.

5. Ionrelaxációs polarizáció a gyengén kötött ionok többletátvitele miatt elektromos tér hatására a rácsállandót meghaladó távolságokon. Az ionrelaxációs polarizáció egyes kristályos anyagokban szennyeződések jelenlétében ionok formájában vagy a kristályrács laza tömítődése esetén nyilvánul meg. Létesítési ideje 10 -8 -10 -4 s.

6. Elektronikus relaxációs polarizáció túlzott mennyiségű „hibás” elektron vagy hőenergia által gerjesztett „lyukak” miatt keletkezik. Ez a fajta polarizáció általában nagy átengedési értéket okoz.

7. Spontán polarizáció- spontán polarizáció, amely bizonyos anyagokban (például Rochelle-sóban) egy bizonyos hőmérsékleti tartományban fordul elő.

8. Elasztikus-dipólus polarizáció a dipólusok kis szögeken keresztüli rugalmas forgásával kapcsolatos.

9. Maradék polarizáció- polarizáció, amely egyes anyagokban (elektretekben) az elektromos tér eltávolítása után sokáig megmarad.

10. rezonáns polarizáció. Ha az elektromos tér frekvenciája közel van a dipólus rezgések sajátfrekvenciájához, akkor a molekulák rezgései megnövekedhetnek, ami rezonáns polarizáció megjelenéséhez vezet a dipólus dielektrikumban. Az infravörös fénytartományban elhelyezkedő frekvenciákon rezonáns polarizáció figyelhető meg. Egy valódi dielektrikumnak egyszerre többféle polarizációja lehet. Az egyik vagy másik típusú polarizáció előfordulását az anyag fizikai-kémiai tulajdonságai és az alkalmazott frekvenciák tartománya határozza meg.

Főbb paraméterek:

ε a permittivitás az anyag polarizációs képességének mértéke; ez egy olyan érték, amely megmutatja, hogy az elektromos töltések kölcsönhatási ereje egy adott anyagban hányszor kisebb, mint a vákuumban. A dielektrikum belsejében a külsővel ellentétes mező található.

A külső tér erőssége a vákuumban lévő azonos töltések mezőjéhez képest ε-szeresére gyengül, ahol ε a relatív permittivitás.

Ha a kondenzátor lemezei közötti vákuumot dielektrikummal helyettesítjük, akkor a polarizáció következtében a kapacitás megnő. Ez az alapja a permittivitás egyszerű meghatározásának:

ahol C 0 annak a kondenzátornak a kapacitása, amelynek lemezei között vákuum van.

C d ugyanannak a kondenzátornak a kapacitása dielektrikummal.

Egy izotróp közeg ε permittivitását a következő összefüggés határozza meg:

(2)

ahol χ a dielektromos szuszceptibilitás.

D = tg δ a dielektromos veszteség érintője

Dielektromos veszteségek - az elektromos energia veszteségei a dielektrikumokban folyó áramok miatt. Megkülönböztetni kell az I sk.pr átmenő vezetési áramot, amelyet a kis számú könnyen mozgó ion jelenléte okoz a dielektrikumokban, és a polarizációs áramokat. Elektronikus és ionos polarizációnál a polarizációs áramot I cm elmozdulási áramnak nevezik, ez nagyon rövid távú, és műszerek nem rögzítik. A lassú (relaxációs) típusú polarizációhoz kapcsolódó áramokat I abs abszorpciós áramoknak nevezzük. Általános esetben a dielektrikumban a teljes áramot a következőképpen határozzuk meg: I = I abs + I effektív. A polarizáció megállapítása után a teljes áramerősség egyenlő lesz: I=I effektív. Ha egy állandó mezőben polarizációs áramok lépnek fel a feszültség be- és kikapcsolásának pillanatában, és a teljes áramot a következő egyenlet szerint határozzuk meg: I \u003d I sk.pr, akkor váltakozó mezőben polarizációs áramok keletkeznek abban a pillanatban a feszültség polaritásának megváltoztatása. Ennek eredményeként a váltakozó térben a dielektrikum veszteségei jelentősek lehetnek, különösen akkor, ha az alkalmazott feszültség félciklusa megközelíti a polarizációs átállási időt.

ábrán. Az 1(a) ábrán egy dielektromos kondenzátorral egyenértékű áramkör látható egy váltakozó feszültségű áramkörben. Ebben az áramkörben egy valódi dielektrikumú, veszteséges kondenzátort egy ideális C kondenzátorra cserélnek, amelynek R aktív ellenállása párhuzamosan van kapcsolva. Az 1(b) ábra a vizsgált áramkör áramainak és feszültségeinek vektordiagramját mutatja, ahol U az áramkör feszültségei; I ak - aktív áram; I p - meddő áram, amely 90 ° -kal megelőzi az aktív komponenst fázisban; I ∑ - teljes áram. Ebben az esetben: I a =I R =U/R és I p =I C =ωCU, ahol ω a váltakozó tér körfrekvenciája.

Rizs. 1. a) rendszer; (b) - áramok és feszültségek vektordiagramja

A dielektromos veszteségszög a δ szög, amely 90°-ig kiegészíti a φ fáziseltolódási szöget az I ∑ áram és az U feszültség között a kapacitív áramkörben. A dielektrikumok veszteségeit váltakozó térben a dielektromos veszteség érintővel jellemezzük: tg δ=I a / I p.

A dielektromos veszteség érintő határértékei a nagyfrekvenciás dielektrikumok esetében nem haladhatják meg a (0,0001 - 0,0004), az alacsony frekvenciájú dielektrikumok esetében pedig a (0,01 - 0,02) értéket.

ε és tan δ függése a T hőmérséklettől és az ω frekvenciától

Az anyagok dielektromos paraméterei különböző mértékben függenek a hőmérséklettől és a frekvenciától. A dielektromos anyagok nagy száma nem teszi lehetővé, hogy lefedjük az e tényezőktől való összes függőség jellemzőit.

Ezért a 2. ábrán. A 2 (a, b) néhány fő csoport általános tendenciáit mutatja, pl. Megjelenik az ε permittivitás jellemző függése a T (a) hőmérséklettől és az ω (b) frekvenciától.

Rizs. 2. A permittivitás valós (ε') és képzetes (ε') részének frekvenciafüggése az orientációs relaxációs mechanizmus jelenlétében

Komplex permittivitás. Relaxációs folyamatok jelenlétében célszerű a permittivitást komplex formában írni. Ha a Debye-képlet érvényes a polarizálhatóságra:

(3)

ahol τ a relaxációs idő, α 0 a statisztikai orientációs polarizálhatóság. Ezután, feltételezve, hogy a helyi mező egyenlő a külsővel, megkapjuk (CGS-ben):

Az εʹ és εʺ ωτ szorzattól való függésének grafikonjait az ábra mutatja. 2. Figyeljük meg, hogy εʹ (az ε valós része) csökkenése εʺ maximumának (ε képzeletbeli része) közelében megy végbe.

εʹ és εʺ frekvenciával való ilyen viselkedése gyakori példa egy általánosabb eredményre, amely szerint εʹ(ω) a frekvencián εʺ(ω) frekvenciától való függését is magában foglalja. Az SI rendszerben a 4π helyett 1/ε 0 .

Az alkalmazott mező hatására a nempoláris dielektrikumban lévő molekulák polarizálódnak, és dipólusokká válnak μ indukált dipólusmomentummal és, a térerővel arányos:

(5)

Poláris dielektrikumban egy poláris molekula dipólusmomentuma μ általában egyenlő a saját μ 0 és az indukált μ vektorösszegével és pillanatok:

(6)

A dipólusok által keltett térerősségek arányosak a dipólusmomentummal és fordítottan arányosak a távolság kockájával.

Nem poláris anyagok esetén általában ε = 2 – 2,5, és ω ≈10 12 Hz-ig nem függ a frekvenciától. ε hőmérséklettől való függése abból adódik, hogy ha változik, a szilárd test lineáris méretei, valamint a folyékony és gáznemű dielektrikumok térfogata megváltozik, ami megváltoztatja az egységnyi térfogatra jutó n molekulák számát.

és a köztük lévő távolságot. A dielektrikumok elméletéből ismert összefüggések felhasználásával F=n\μ ésés F=ε 0 (ε - 1)E, ahol F az anyag polarizációja, a nempoláris dielektrikumok esetében a következő:

(7)

E=const esetén szintén μ és= const és ε hőmérsékletváltozása csak n változásának köszönhető, ami a Θ hőmérséklet lineáris függvénye, az ε = ε(Θ) függés is lineáris. A poláris dielektrikumok esetében nincs analitikai függőség, általában empirikus függőségeket alkalmaznak.

1) A hőmérséklet növekedésével a dielektrikum térfogata nő, a dielektromos állandó enyhén csökken. Az ε csökkenése különösen észrevehető a nempoláris dielektrikumok lágyulásának és olvadásának időszakában, amikor térfogatuk jelentősen megnő. Az elektronok keringési frekvenciája miatt (1015-1016 Hz-es nagyságrendben) az elektronpolarizáció egyensúlyi állapotának felállítási ideje nagyon rövid, és a nempoláris dielektrikumok ε permeabilitása nem függ a térfrekvenciától az általában használt frekvenciatartomány (1012 Hz-ig).

2) A hőmérséklet emelkedésével az egyes ionok közötti kötések gyengülnek, ami megkönnyíti kölcsönhatásukat külső tér hatására, és ez az ionpolarizáció és az ε permittivitás növekedéséhez vezet. Az ionpolarizáció állapotának megállapításának rövid ideje (10 13 Hz nagyságrendben, ami megfelel a kristályrácsban lévő ionok rezgéseinek természetes frekvenciájának) miatt a külső tér frekvenciájának megváltozása a szokásos működési körülmények között. tartományoknak gyakorlatilag nincs hatása az ionos anyagok ε értékére.

3) A poláris dielektrikumok permittivitása erősen függ a külső tér hőmérsékletétől és frekvenciájától. A hőmérséklet emelkedésével a részecskék mobilitása nő, és a köztük lévő kölcsönhatás energiája csökken, i.e. orientációjuk külső tér hatására könnyebbé válik - a dipólus polarizációja és a permittivitás nő. Ez a folyamat azonban csak egy bizonyos hőmérsékletig folytatódik. A hőmérséklet további emelésével az ε permeabilitás csökken. Mivel a dipólusok térirányú orientációja hőmozgás folyamatában és hőmozgás útján történik, a polarizáció kialakítása jelentős időt vesz igénybe. Ez az idő olyan hosszú, hogy váltakozó nagyfrekvenciás mezőben a dipólusoknak nincs idejük a mező mentén tájékozódni, és az ε permeabilitás csökken.

A permittivitás mérésének módszere

A kondenzátor kapacitása. Kondenzátor- ez egy dielektrikummal elválasztott két vezetőből (lemezből) álló rendszer, amelynek vastagsága kicsi a vezetékek lineáris méreteihez képest. Így például két, egymással párhuzamosan elhelyezett és dielektromos réteggel elválasztott lapos fémlemez kondenzátort alkot (3. ábra).

Ha egy lapos kondenzátor lemezei azonos előjelű töltéseket kapnak, akkor a lemezek közötti elektromos térerősség kétszer akkora lesz, mint egy lemez térerőssége:

(8)

ahol ε a lemezek közötti teret kitöltő dielektrikum permittivitása.

A töltési arány által meghatározott fizikai mennyiség q az egyik kondenzátorlemezt a kondenzátorlapok közötti Δφ potenciálkülönbségre ún. kapacitancia:

(9)

Az elektromos kapacitás SI mértékegysége - Farad(F). Egy ilyen kondenzátor 1 F kapacitású, amelynek a lemezei közötti potenciálkülönbség 1 V, ha a lemezek ellentétes töltése 1 C: 1 F = 1 C / 1 V.

Lapos kondenzátor kapacitása. A lapos kondenzátor elektromos kapacitásának kiszámítására szolgáló képlet a (8) kifejezés segítségével kapható meg. Valójában a térerősség: E= φ/εε 0 = q/εε 0 S, ahol S a lemez területe. Mivel a mező egyenletes, a kondenzátorlapok közötti potenciálkülönbség: φ 1 - φ 2 = Szerk = qd/εε 0 S, ahol d- a lemezek közötti távolság. A (9) képletbe behelyettesítve egy lapos kondenzátor elektromos kapacitásának kifejezését kapjuk:

(10)

ahol ε 0 a levegő dielektromos állandója; S a kondenzátorlemez területe, S=hl, ahol h- lemez szélesség, l- hossza; d a kondenzátorlapok közötti távolság.

A (10) kifejezés azt mutatja, hogy egy kondenzátor kapacitása a terület növelésével növelhető S lemezeit, csökkentve a távolságot d közöttük és a nagy ε permittivitású dielektrikumok használata között.

Rizs. 3. Kondenzátor, amelybe dielektrikum van elhelyezve

Ha egy kondenzátor lemezei közé dielektromos lemezt helyezünk, a kondenzátor kapacitása megváltozik. Figyelembe kell venni a dielektromos lemez elhelyezkedését a kondenzátor lemezei között.

Jelöli: d c - a légrés vastagsága, d m a dielektromos lemez vastagsága, l B a kondenzátor levegős részének hossza, l m a kondenzátor dielektrikummal töltött részének hossza, ε m az anyag dielektromos állandója. Tekintve, hogy l = l a +-ban l m, a d = d a +-ban d m, akkor ezek a lehetőségek mérlegelhetők a következő esetekben:

Mikor l at = 0, d= 0-nál van egy szilárd dielektrikumú kondenzátorunk:

(11)

A klasszikus makroszkopikus elektrodinamika egyenleteiből a Maxwell-egyenletek alapján az következik, hogy ha egy dielektrikumot gyenge váltakozó térbe helyezünk, amely harmonikus törvény szerint változik ω frekvenciával, akkor a komplex permittivitás tenzor a következő alakot veszi fel:

(12)

ahol σ az anyag optikai vezetőképessége, εʹ az anyag dielektrikum polarizációjához viszonyított permittivitása. A (12) kifejezés a következő formára redukálható:

ahol a képzetes tag felelős a dielektromos veszteségekért .

A gyakorlatban a C-t mérik - a minta kapacitását lapos kondenzátor formájában. Ezt a kondenzátort a dielektromos veszteség érintője jellemzi:

tgδ=ωCR c (14)

vagy te jó ég:

Q c = 1/tanδ (15)

ahol R c az ellenállás, amely főleg a dielektromos veszteségektől függ. Ezen jellemzők mérésére számos módszer létezik: különféle hídmódszerek, mérések a mért paraméter időintervallummá konvertálásával stb. .

Jelen munkában a C kapacitás és a dielektromos veszteség tangens D = tgδ mérésénél a GOOD WILL INSTRUMENT CO Ltd kampánya által kidolgozott technikát alkalmaztuk. A méréseket LCR-819-RLC precíziós immitancia mérővel végeztük. A készülék lehetővé teszi a kapacitás mérését 20 pF-2,083 mF tartományban, a veszteség tangensét 0,0001-9999 között, és előfeszítési mezőt alkalmazhat. Belső előfeszítés 2 V-ig, külső előfeszítés 30 V-ig. A mérési pontosság 0,05%. Tesztjel frekvencia 12 Hz -100 kHz.

Ebben a munkában a méréseket 1 kHz-es frekvencián, 77 K hőmérséklet-tartományban végeztük< 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 .

A hőmérséklet-függések elérése érdekében a cellát a mintával egy hőcserélőn átvezetett hűtőfolyadék (nitrogén) áramlásba helyezzük, amelynek hőmérsékletét a fűtőberendezés állítja be. A fűtőtest hőmérsékletét termosztát szabályozza. A hőmérsékletmérőtől a termosztátig küldött visszacsatolás lehetővé teszi a hőmérsékletmérés sebességének beállítását, vagy annak stabilizálását. A hőmérséklet szabályozására hőelemet használnak. Ebben a munkában a hőmérsékletet 1 fok/perc sebességgel változtattuk. Ez a módszer lehetővé teszi a hőmérséklet mérését 0,1 fokos hibával.

A mérőcellát a rögzített mintával áramlási kriosztátba helyezzük. A cella és az LCR-mérő csatlakoztatása árnyékolt vezetékekkel történik a kriosztát kupakjában található csatlakozón keresztül. A kriosztát az FL-1 elektromágnes pólusai közé kerül. A mágnes tápegysége 15 kOe mágneses mező elérését teszi lehetővé. A H mágneses tér nagyságának mérésére termikusan stabilizált Hall érzékelőt használnak elektronikai egységgel. A mágneses tér stabilizálása érdekében visszacsatolás van a tápegység és a mágneses térmérő között.

A C kapacitás és a veszteségtangens D = tan δ mért értékei a keresett εʹ és εʺ fizikai mennyiségek értékéhez kapcsolódnak a következő összefüggésekkel:

(16)

(17)

1. számú táblázat. Gd x Mn 1-x S, (x=0,1).