Ruhusa ya jamaa

DIELECTRIC CONSTANT (dielectric mara kwa mara) ni kiasi cha kimwili kinachobainisha uwezo wa dutu ili kupunguza nguvu za mwingiliano wa umeme katika dutu hii ikilinganishwa na utupu. Kwa hivyo, D. p. inaonyesha ni mara ngapi nguvu za mwingiliano wa umeme katika suala ni chini ya utupu.

D. p. - tabia ambayo inategemea muundo wa dutu ya dielectri. Elektroni, ioni, atomi, molekuli au sehemu zao za kibinafsi na sehemu kubwa zaidi za dutu yoyote kwenye uwanja wa umeme zimegawanywa (tazama Polarization), ambayo husababisha kutengwa kwa sehemu ya uwanja wa nje wa umeme. Ikiwa mzunguko wa uwanja wa umeme unalingana na muda wa polarization wa dutu, basi katika aina fulani ya mzunguko kuna mtawanyiko wa chembe ya kutawanya, yaani, utegemezi wa ukubwa wake juu ya mzunguko (angalia Usambazaji). DP ya dutu inategemea wote juu ya mali ya umeme ya atomi na molekuli na juu ya mpangilio wao wa pamoja, yaani, juu ya muundo wa dutu. Kwa hiyo, ufafanuzi wa D. p. au mabadiliko yake kulingana na hali ya jirani hutumiwa katika utafiti wa muundo wa dutu, na hasa tishu mbalimbali za mwili (angalia conductivity ya umeme ya mifumo ya kibaolojia).

Dutu tofauti (dielectrics), kulingana na muundo wao na hali ya mkusanyiko, zina maadili tofauti ya D. p. (Jedwali).

Jedwali. Thamani ya ruhusa ya baadhi ya vitu

Ya umuhimu hasa kwa matibabu - biol, utafiti ni utafiti wa D. na. katika vinywaji vya polar. Mwakilishi wao wa kawaida ni maji, yenye dipoles, ambayo yanaelekezwa kwenye uwanja wa umeme kutokana na mwingiliano kati ya mashtaka ya dipole na shamba, ambayo inaongoza kwa kuonekana kwa dipole au polarization ya mwelekeo. Thamani ya juu ya D. p. ya maji (80 saa t ° 20 °) huamua kiwango cha juu cha kujitenga ndani yake ya kemikali mbalimbali. vitu na umumunyifu mzuri wa chumvi, to-t, besi na misombo mingine (tazama Dissociation, Electrolytes). Kwa ongezeko la mkusanyiko wa electrolyte katika maji, thamani ya DP yake inapungua (kwa mfano, kwa electrolytes monovalent, DP ya maji hupungua kwa moja na ongezeko la mkusanyiko wa chumvi kwa 0.1 M).

Biol nyingi, vitu ni vya dielectri tofauti. Katika mwingiliano wa bioli ya ioni, kitu kilicho na mgawanyiko wa uwanja wa umeme wa mipaka ya sehemu hiyo ina thamani muhimu (tazama. Membranes biological ). Ukubwa wa polarization ni kubwa zaidi, chini ya mzunguko wa uwanja wa umeme. Tangu polarization ya biol interface, kitu inategemea upenyezaji wao (tazama) kwa ions, ni dhahiri kwamba ufanisi D. p. kwa kiasi kikubwa kuamua na hali ya utando.

Kwa kuwa mgawanyiko wa kitu ngumu kama hicho cha kibaolojia kina asili tofauti (mkusanyiko, muundo wa jumla, wa mwelekeo, ionic, elektroniki, n.k.), inakuwa wazi kuwa kwa kuongezeka kwa masafa, mabadiliko ya D. p. (mtawanyiko) ilionyesha kwa ukali. Kwa kawaida, kuna maeneo matatu ya mtawanyiko wa D.: utawanyiko wa alpha (katika masafa hadi 1 kHz), utawanyiko wa beta (masafa kutoka kHz kadhaa hadi makumi ya MHz), na utawanyiko wa gamma (masafa zaidi ya 10 9 Hz); katika biol, vitu kwa kawaida hakuna mpaka wazi kati ya maeneo ya mtawanyiko.

Katika funkts kuharibika, inasema biol, mtawanyiko wa kitu D. wa bidhaa katika masafa ya chini hupungua hadi kutoweka kabisa (kwa kifo cha tishu). Katika masafa ya juu, ukubwa wa D. p. haubadilika sana.

D.p. hupimwa kwa masafa mapana na, kulingana na masafa ya masafa, mbinu za kipimo pia hubadilika sana. Katika masafa ya sasa ya umeme chini ya 1 Hz, kipimo kinafanywa kwa kutumia njia ya malipo au kutoa capacitor iliyojaa dutu ya mtihani. Kujua utegemezi wa malipo au kutokwa kwa sasa kwa wakati, inawezekana kuamua si tu thamani ya capacitance ya umeme ya capacitor, lakini pia hasara ndani yake. Katika masafa kutoka 1 hadi 3 10 8 Hz kwa kipimo cha D. na. njia maalum za resonant na daraja hutumiwa, ambayo inafanya uwezekano wa kuchunguza kwa kina mabadiliko katika D. ya vitu mbalimbali kwa njia kamili zaidi na yenye mchanganyiko.

Katika matibabu - biol, tafiti mara nyingi hutumia madaraja linganifu ya mkondo unaopishana na usomaji wa moja kwa moja wa saizi zilizopimwa.

Bibliografia: Kupokanzwa kwa juu-frequency ya dielectri na semiconductors, ed. A. V. Netushila, M. - L., 1959, biblia; Na edunov B. I. na Fran to-K na me-n ya e c to na y D. A. Dielectric mara kwa mara ya vitu vya kibiolojia, Usp. kimwili Sayansi, juzuu ya 79, c. 4, uk. 617, 1963, bibliogr.; Elektroniki na cybernetics katika biolojia na dawa, trans. kutoka kwa Kiingereza, mh. P. K. Anokhin, uk. 71, M., 1963, bibliogr.; Em F. Vipimo vya dielectric, trans. kutoka Kijerumani., M., 1967, bibliogr.

Somo #19

1. Hali ya conductivity ya umeme ya dielectri ya gesi, kioevu na imara

Dielectric mara kwa mara

Ruhusa ya jamaa, au ruhusa ε ni mojawapo ya vigezo muhimu zaidi vya umeme vya macroscopic vya dielectri. Dielectric mara kwa maraε quantitatively sifa ya uwezo wa dielectri kwa polarize katika uwanja wa umeme, na pia kutathmini kiwango cha polarity yake; ε ni mara kwa mara ya nyenzo za dielectric kwa joto fulani na mzunguko wa voltage ya umeme na inaonyesha mara ngapi malipo ya capacitor yenye dielectric ni kubwa zaidi kuliko malipo ya capacitor ya ukubwa sawa na utupu.

Mara kwa mara ya dielectric huamua thamani ya uwezo wa umeme wa bidhaa (capacitor, insulation cable, nk). Kwa uwezo wa capacitor gorofa KUTOKA,Ф, imeonyeshwa na fomula (1)

ambapo S ni eneo la electrode ya kupimia, m 2; h ni unene wa dielectri, m. Inaweza kuonekana kutoka kwa formula (1) kwamba thamani kubwa zaidi ε dielectric kutumika, uwezo mkubwa wa capacitor na vipimo sawa. Kwa upande wake, capacitance ya umeme C ni mgawo wa uwiano kati ya malipo ya uso QK, kusanyiko capacitor, na voltage ya umeme kutumika kwa hiyo

inazunguka U(2):

Kutoka kwa formula (2) inafuata kwamba malipo ya umeme QK, kusanyiko na capacitor ni sawia na thamani ε dielectric. Kujua QK vipimo vya kijiometri vya capacitor, unaweza kuamua ε nyenzo za dielectric kwa voltage iliyotolewa.

Fikiria utaratibu wa malezi ya malipo QK juu ya electrodes ya capacitor na dielectric na ni vipengele gani vinavyofanya malipo haya. Ili kufanya hivyo, tunachukua capacitors mbili za gorofa za vipimo sawa vya kijiometri: moja na utupu, nyingine na nafasi ya interelectrode iliyojaa dielectric, na kutumia voltage sawa kwao. U(Mchoro 1). Malipo huundwa kwenye electrodes ya capacitor ya kwanza Q0, kwenye elektroni za pili - QK. Kwa upande wake, malipo QK ni jumla ya mashtaka Q0 na Q(3):

Malipo Q 0 huundwa na shamba la nje E0 kwa kukusanya malipo ya nje kwenye electrodes ya capacitor yenye wiani wa uso σ 0 . Q- hii ni malipo ya ziada kwenye electrodes ya capacitor, iliyoundwa na chanzo cha voltage ya umeme ili kulipa fidia kwa malipo yaliyofungwa yaliyoundwa kwenye uso wa dielectric.

Katika dielectri ya polarized enhetligt, malipo Q inalingana na msongamano wa uso wa malipo yaliyofungwa σ. Chaji σ huunda sehemu E sz, iliyoelekezwa kinyume na uwanja E O.

Ruhusa ya dielectri inayozingatiwa inaweza kuwakilishwa kama uwiano wa malipo QK capacitor iliyojaa dielectri ya kuchaji Q0 capacitor sawa na utupu (3):

Kutoka kwa formula (3) inafuata kwamba ruhusa ε - thamani haina dimensionless, na kwa dielectric yoyote ni kubwa kuliko umoja; katika kesi ya utupu ε = 1. Kutoka kwa mfano unaozingatiwa, pia

inaweza kuonekana kuwa wiani wa malipo kwenye electrodes ya capacitor yenye dielectric in ε mara kubwa kuliko msongamano wa malipo kwenye elektroni za capacitor na utupu, na kiwango cha voltage sawa kwa zote mbili.

capacitors yao ni sawa na hutegemea tu ukubwa wa voltage U na umbali kati ya electrodes (E = U/h).

Mbali na ruhusa ya jamaa ε kutofautisha ruhusa kabisa ε a, f/m, (4)

ambayo haina maana ya kimwili na hutumiwa katika uhandisi wa umeme.

Mabadiliko ya jamaa katika ruhusa εr na ongezeko la joto kwa 1 K inaitwa mgawo wa joto wa permittivity.

TKε = 1/ εr d εr/dT K-1 Kwa hewa ya 20°C TK εr = -2.10-6K-

Kuzeeka kwa umeme katika ferroelectrics huonyeshwa kama kupungua kwa εr kwa wakati. Sababu ni upangaji upya wa vikoa.

Mabadiliko makali haswa katika kibali kwa wakati huzingatiwa kwenye joto karibu na eneo la Curie. Umeme unaopasha joto hadi halijoto iliyo juu ya uhakika wa Curie na ubaridi unaofuata hurejesha εr kwa thamani yake ya awali. Urejesho sawa wa kibali cha dielectric unaweza kufanywa kwa kufichua ferroelectric kwenye uwanja wa umeme wa kuongezeka kwa nguvu.

Kwa dielectrics tata - mchanganyiko wa mitambo ya vipengele viwili na εr tofauti katika makadirio ya kwanza: εrx = θ1 εr1x θ εr2x, ambapo θ ni mkusanyiko wa volumetric wa vipengele vya mchanganyiko, εr ni permittivity ya jamaa ya sehemu ya mchanganyiko.

Polarization ya dielectric inaweza kusababishwa na: mizigo ya mitambo (piezopolarization katika piezoelectrics); inapokanzwa (pyropolarization katika pyroelectrics); mwanga (photopolarization).

Hali ya polarized ya dielectri katika uwanja wa umeme E ina sifa ya wakati wa umeme kwa kiasi cha kitengo, polarization Р, C / m2, ambayo inahusiana na ruhusa yake ya jamaa kwa mfano: Р = e0 (kwa mfano - 1) Е, ambapo e0 = 8.85∙10-12 F / m. Bidhaa e0∙eg =e, F/m, inaitwa ruhusa kabisa. Katika dielectri za gesi, kwa mfano hutofautiana kidogo na 1.0, katika kioevu isiyo ya polar na imara hufikia 1.5 - 3.0, katika polar ina maadili makubwa; katika fuwele za ionic kwa mfano - 5-MO, na kwa wale walio na kimiani ya kioo ya perovskite hufikia 200; katika ferroelectrics mfano - 103 na zaidi.

Katika dielectri zisizo za polar, kwa mfano, hupungua kidogo kwa kuongezeka kwa joto, katika mabadiliko ya polar yanahusishwa na predominance ya aina moja au nyingine ya polarization, katika fuwele za ionic huongezeka, katika baadhi ya ferroelectrics kwenye joto la Curie hufikia 104 na zaidi. Mabadiliko ya joto, kwa mfano, yanaonyeshwa na mgawo wa joto. Kwa dielectri ya polar, kipengele cha sifa ni kupungua kwa mfano katika masafa ya masafa, ambapo muda wa t wa ugawanyiko unalingana na T/2.

Taarifa zinazofanana.

Uwezo wa capacitor inategemea, kama uzoefu unaonyesha, si tu juu ya ukubwa, sura na nafasi ya jamaa ya makondakta wake, lakini pia juu ya mali ya dielectric kujaza nafasi kati ya makondakta hawa. Ushawishi wa dielectri unaweza kuanzishwa kwa kutumia majaribio yafuatayo. Tunachaji capacitor ya gorofa na kumbuka usomaji wa electrometer ambayo hupima voltage kwenye capacitor. Hebu basi tuhamishe sahani ya ebonite isiyo na malipo kwenye capacitor (Mchoro 63). Tutaona kuwa tofauti inayowezekana kati ya sahani itapungua sana. Ikiwa utaondoa ebonite, basi usomaji wa electrometer huwa sawa. Hii inaonyesha kwamba wakati hewa inabadilishwa na ebonite, uwezo wa capacitor huongezeka. Kuchukua dielectric nyingine badala ya ebonite, tutapata matokeo sawa, lakini tu mabadiliko katika uwezo wa capacitor itakuwa tofauti. Ikiwa - uwezo wa capacitor, kati ya sahani ambazo kuna utupu, na - uwezo wa capacitor sawa, wakati nafasi nzima kati ya sahani imejaa, bila mapengo ya hewa, na aina fulani ya dielectric, basi capacitance itakuwa mara kubwa zaidi kuliko uwezo, ambapo inategemea tu asili ya dielectri. Kwa hivyo, mtu anaweza kuandika

Mchele. 63. Uwezo wa capacitor huongezeka wakati sahani ya ebonite inasukuma kati ya sahani zake. Karatasi za electrometer huanguka, ingawa malipo yanabaki sawa

Thamani inaitwa mara kwa mara ya dielectric ya jamaa au tu mara kwa mara ya dielectri ya kati ambayo inajaza nafasi kati ya sahani za capacitor. Katika meza. 1 inaonyesha maadili ya ruhusa ya baadhi ya vitu.

Jedwali 1. Dielectric mara kwa mara ya baadhi ya vitu

Ya hapo juu sio kweli tu kwa capacitor ya gorofa, lakini pia kwa capacitor ya sura yoyote: kwa kubadilisha hewa na aina fulani ya dielectri, tunaongeza uwezo wa capacitor kwa sababu ya 1.

Kwa kusema kabisa, uwezo wa capacitor huongezeka kwa sababu tu ikiwa mistari yote ya shamba inayotoka sahani moja hadi nyingine itapitia dielectri iliyotolewa. Hii itakuwa, kwa mfano, capacitor ambayo imefungwa kabisa katika aina fulani ya dielectri ya kioevu, hutiwa ndani ya chombo kikubwa. Hata hivyo, ikiwa umbali kati ya sahani ni ndogo ikilinganishwa na vipimo vyao, basi inaweza kuchukuliwa kuwa inatosha kujaza nafasi tu kati ya sahani, kwa kuwa ni hapa kwamba shamba la umeme la capacitor linajilimbikizia kivitendo. Kwa hiyo, kwa capacitor ya gorofa, inatosha kujaza tu nafasi kati ya sahani na dielectric.

Kwa kuweka dutu yenye mara kwa mara ya juu ya dielectric kati ya sahani, uwezo wa capacitor unaweza kuongezeka sana. Hii hutumiwa katika mazoezi, na kwa kawaida sio hewa, lakini kioo, parafini, mica na vitu vingine huchaguliwa kama dielectric kwa capacitor. Kwenye mtini. 64 inaonyesha capacitor ya kiufundi, ambayo mkanda wa karatasi uliowekwa na parafini hutumika kama dielectri. Nyuso zake ni karatasi za chuma zilizobanwa pande zote mbili hadi karatasi iliyotiwa nta. Uwezo wa capacitors vile mara nyingi hufikia microfarads kadhaa. Kwa hivyo, kwa mfano, capacitor ya redio ya amateur saizi ya sanduku la mechi ina uwezo wa 2 microfarads.

Mchele. 64. Kiufundi gorofa capacitor: a) wamekusanyika; b) katika fomu iliyovunjwa kwa sehemu: 1 na 1 "- kanda za sura, kati ya ambayo tepi za karatasi nyembamba iliyopigwa 2 zimewekwa. Kanda zote zimefungwa pamoja na "accordion" na kuweka kwenye sanduku la chuma. Mawasiliano 3 na 3 "ni kuuzwa hadi mwisho wa kanda 1 na 1 " kujumuisha capacitor katika mzunguko

Ni wazi kwamba dielectrics tu na mali nzuri sana za kuhami zinafaa kwa ajili ya utengenezaji wa capacitor. Vinginevyo, malipo yatapita kupitia dielectri. Kwa hivyo, maji, licha ya hali yake ya juu ya dielectric, haifai kabisa kwa utengenezaji wa capacitors, kwa sababu maji yaliyosafishwa kwa uangalifu sana ndio dielectri nzuri ya kutosha.

Ikiwa nafasi kati ya sahani za capacitor ya gorofa imejaa kati na dielectric mara kwa mara, basi formula (34.1) kwa capacitor gorofa inachukua fomu.

Ukweli kwamba capacitance ya capacitor inategemea mazingira inaonyesha kwamba uwanja wa umeme ndani ya dielectrics inabadilika. Tumeona kwamba wakati capacitor imejaa dielectri yenye kibali, uwezo huongezeka kwa sababu ya. Hii ina maana kwamba kwa malipo sawa kwenye sahani, tofauti ya uwezo kati yao hupungua kwa sababu. Lakini tofauti inayowezekana na nguvu ya shamba imeunganishwa na uhusiano (30.1). Kwa hiyo, kupungua kwa tofauti ya uwezo ina maana kwamba nguvu ya shamba katika capacitor wakati imejaa dielectric inakuwa chini kwa sababu. Hii ndiyo sababu ya kuongezeka kwa uwezo wa capacitor. mara chini ya utupu. Kwa hivyo tunahitimisha kuwa sheria ya Coulomb (10.1) ya malipo ya uhakika iliyowekwa kwenye dielectric ina fomu.

Upenyezaji wa Umeme

Ruhusa ya umeme ni thamani inayoonyesha uwezo wa dielectri iliyowekwa kati ya sahani za capacitor. Kama unavyojua, uwezo wa capacitor ya gorofa inategemea saizi ya eneo la sahani (eneo kubwa la sahani, uwezo mkubwa zaidi), umbali kati ya sahani au unene wa dielectric. (dielectric zaidi, chini ya uwezo), na pia juu ya nyenzo za dielectri, ambazo tabia yake ni upenyezaji wa umeme.

Kwa nambari, upenyezaji wa umeme ni sawa na uwiano wa uwezo wa capacitor kwa dielectri yoyote ya capacitor sawa ya hewa. Ili kuunda capacitors compact, ni muhimu kutumia dielectrics na upenyezaji juu ya umeme. Ruhusa ya umeme ya dielectri nyingi ni vitengo kadhaa.

Katika teknolojia, dielectri zilizo na upenyezaji wa juu na wa juu wa umeme zimepatikana. Sehemu yao kuu ni rutile (titanium dioxide).

Kielelezo 1. Upenyezaji wa umeme wa kati

Pembe ya kupoteza dielectric

Katika makala "Dielectrics" tulichambua mifano ya kuingizwa kwa dielectri katika nyaya za moja kwa moja na za kubadilisha sasa. Ilibadilika kuwa wakati dielectric halisi inafanya kazi katika uwanja wa umeme unaoundwa na voltage mbadala, nishati ya joto hutolewa. Nguvu iliyoingizwa katika kesi hii inaitwa hasara za dielectric. Katika makala "Mzunguko wa AC unao na capacitance" itathibitishwa kuwa katika dielectri bora ya sasa ya capacitive inaongoza voltage kwa angle chini ya 90 °. Katika dielectri halisi, sasa capacitive inaongoza voltage kwa angle chini ya 90 °. Kupungua kwa pembe kunaathiriwa na sasa ya uvujaji, vinginevyo huitwa sasa conduction.

Tofauti kati ya 90 ° na angle ya kuhama kati ya voltage na sasa inapita katika mzunguko na dielectri halisi inaitwa angle ya kupoteza dielectric au angle ya kupoteza na inaashiria δ (delta). Mara nyingi zaidi, sio pembe yenyewe imedhamiriwa, lakini tangent ya pembe hii -tg δ.

Imeanzishwa kuwa hasara za dielectric ni sawia na mraba wa voltage, mzunguko wa AC, capacitance ya capacitor na tangent ya kupoteza dielectric.

Kwa hiyo, tangent kubwa ya hasara ya dielectric, tan δ, hasara kubwa ya nishati katika dielectri, mbaya zaidi ya nyenzo za dielectri. Vifaa vyenye kiasi kikubwa cha tg δ (kwa utaratibu wa 0.08 - 0.1 au zaidi) ni vihami duni. Vifaa vilivyo na kiasi kidogo cha tg δ (kwa utaratibu wa 0.0001) ni insulators nzuri.

KAZI YA MAABARA YA VIRTUAL #3 KWA

FIZIA YA HALI MANGO

Miongozo ya utekelezaji wa kazi ya maabara Nambari 3 kwenye sehemu ya fizikia ya "Solid State" kwa wanafunzi wa utaalam wa kiufundi wa aina zote za elimu.

Krasnoyarsk 2012

Mkaguzi

Mgombea wa Sayansi ya Fizikia na Hisabati, Profesa Mshiriki O.N. Bandurina

(Chuo Kikuu cha Anga cha Jimbo la Siberia

jina lake baada ya msomi M.F. Reshetnev)

Imechapishwa kwa uamuzi wa tume ya mbinu ya ICT

Uamuzi wa mara kwa mara ya dielectric ya semiconductors. Kazi ya kweli ya maabara Nambari 3 katika fizikia ya hali dhabiti: Miongozo ya utekelezaji wa kazi ya maabara No 3 katika sehemu ya fizikia ya "Solid State" kwa wanafunzi wa tech. mtaalamu. aina zote za elimu / comp.: A.M. Kharkiv; Sib. jimbo anga un-t. - Krasnoyarsk, 2012. - 21 p.

Anga ya anga ya Jimbo la Siberia

Chuo kikuu kilichopewa jina la Mwanataaluma M.F. Reshetneva, 2012

Utangulizi ………………………………………………………………………….4

Kuandikishwa kwa kazi ya maabara …………………………………………………….4

Usajili wa kazi za maabara kwa ajili ya ulinzi …………………………………….4

Uamuzi wa mzunguko wa dielectri wa semiconductors ………………………..5

Nadharia ya mbinu ………………………………………………………………………

Njia ya kupima dielectric constant ……………………………..11

Inachakata matokeo ya vipimo ……………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………….

Maswali ya kudhibiti ……………………………………………………………….17

Mtihani …………………………………………………………………………………….17

Marejeleo……………………………………………………………………20

Maombi ……………………………………………………………………………21

UTANGULIZI

Mwongozo huu una maelezo ya kazi ya maabara inayotumia miundo pepe kutoka kwa kozi ya Fizikia ya Jimbo Mango.

Upatikanaji wa kazi ya maabara:

Imefanywa na mwalimu katika vikundi na uchunguzi wa kibinafsi wa kila mwanafunzi. Kwa kiingilio:

1) Kila mwanafunzi anachora awali muhtasari wake wa kibinafsi wa kazi hii ya maabara;

2) Mwalimu mmoja mmoja huangalia muundo wa muhtasari na anauliza maswali juu ya nadharia, njia za kipimo, usakinishaji na usindikaji wa matokeo;

3) Mwanafunzi anajibu maswali yaliyoulizwa;

4) Mwalimu anamruhusu mwanafunzi kufanya kazi na kuweka sahihi yake katika mukhtasari wa mwanafunzi.

Usajili wa kazi ya maabara kwa ulinzi:

Kazi iliyokamilishwa kikamilifu na iliyoandaliwa kwa kazi ya ulinzi lazima ikidhi mahitaji yafuatayo:

Kukamilika kwa pointi zote: mahesabu yote ya maadili yanayotakiwa, meza zote zilizojaa wino, grafu zote zilizojengwa, nk.

Grafu lazima ikidhi mahitaji yote ya mwalimu.

Kwa wingi wote katika meza, kitengo sahihi cha kipimo lazima kirekodiwe.

Hitimisho lililorekodiwa kwa kila grafu.

Jibu limeandikwa katika fomu iliyowekwa.

Hitimisho lililorekodiwa kwenye jibu.

UAMUZI WA UPINZANI WA DIELECTRIC WA SEMICONDUCTOR

Nadharia ya mbinu

Polarization ni uwezo wa dielectric kwa polarize chini ya hatua ya shamba la umeme, i.e. mabadiliko katika nafasi eneo la chembe za kushtakiwa zilizofungwa za dielectri.

Mali muhimu zaidi ya dielectri ni uwezo wao wa polarization ya umeme, i.e. chini ya ushawishi wa uwanja wa umeme, uhamisho ulioelekezwa wa chembe za kushtakiwa au molekuli hutokea kwa umbali mdogo. Chini ya hatua ya uwanja wa umeme, malipo yanahamishwa, katika molekuli za polar na zisizo za polar.

Kuna zaidi ya dazeni aina tofauti za ubaguzi. Hebu tuchunguze baadhi yao:

1. Polarization ya kielektroniki ni uhamishaji wa mizunguko ya elektroni inayohusiana na kiini chenye chaji chanya. Inatokea katika atomi zote za dutu yoyote, i.e. katika dielectrics zote. Polarization ya elektroniki imeanzishwa katika 10 -15 -10 -14 s.

2. Polarization ya Ionic- uhamisho unaohusiana na kila mmoja wa ioni zilizochajiwa kinyume katika vitu vilivyo na vifungo vya ioni. Wakati wa kuanzishwa kwake ni 10 -13 -10 -12 s. Ugawanyiko wa kielektroniki na ioni ni kati ya aina za papo hapo au deformation za ubaguzi.

3. Dipole au ubaguzi wa mwelekeo kutokana na mwelekeo wa dipoles katika mwelekeo wa uwanja wa umeme. Polarization ya dipole inamilikiwa na dielectri ya polar. Wakati wa kuanzishwa kwake ni 10 -10 -10 -6 s. Polarization ya Dipole ni mojawapo ya aina za polepole au za utulivu za ubaguzi.

4. Polarization inayohama kuzingatiwa katika dielectrics inhomogeneous, ambayo malipo ya umeme hujilimbikiza kwenye mpaka wa sehemu ya inhomogeneities. Michakato ya kuanzisha ubaguzi wa watu wanaohama ni ya polepole sana na inaweza kuchukua dakika au hata saa.

5. Ushirikiano wa kupumzika kwa ion kwa sababu ya uhamishaji wa ziada wa ioni zilizofungwa dhaifu chini ya hatua ya uwanja wa umeme kwa umbali unaozidi kiwango cha kimiani. Uchanganuzi wa utulivu wa ion hujidhihirisha katika baadhi ya vitu vya fuwele mbele ya uchafu katika mfumo wa ioni au ufungashaji huru wa kimiani ya fuwele. Wakati wa kuanzishwa kwake ni 10 -8 -10 -4 s.

6. Ugawanyiko wa utulivu wa kielektroniki hutokea kutokana na ziada ya elektroni "kasoro" au "mashimo" ya kusisimua na nishati ya joto. Aina hii ya ubaguzi, kama sheria, husababisha thamani kubwa ya ruhusa.

7. Polarization ya hiari- polarization ya hiari ambayo hutokea katika baadhi ya vitu (kwa mfano, chumvi ya Rochelle) katika aina fulani ya joto.

8. Elastic-dipole polarization kuhusishwa na mzunguko wa elastic wa dipoles kupitia pembe ndogo.

9. Polarization ya mabaki- polarization, ambayo inabakia katika baadhi ya vitu (electrets) kwa muda mrefu baada ya kuondolewa kwa shamba la umeme.

10. polarization ya resonant. Ikiwa mzunguko wa uwanja wa umeme ni karibu na mzunguko wa asili wa oscillations ya dipole, basi oscillations ya molekuli inaweza kuongezeka, ambayo itasababisha kuonekana kwa polarization ya resonant katika dielectric ya dipole. Polarization ya resonant huzingatiwa katika masafa yaliyo katika eneo la mwanga wa infrared. Dielectric halisi inaweza wakati huo huo kuwa na aina kadhaa za polarization. Tukio la aina moja au nyingine ya polarization imedhamiriwa na mali ya physicochemical ya dutu na aina mbalimbali za masafa zinazotumiwa.

Vigezo kuu:

ε ni kibali ni kipimo cha uwezo wa nyenzo kwa polarize; hii ni thamani inayoonyesha ni mara ngapi nguvu ya mwingiliano wa chaji za umeme katika nyenzo fulani ni chini ya utupu. Ndani ya dielectri kuna shamba lililoelekezwa kinyume na la nje.

Nguvu ya uwanja wa nje hudhoofisha kwa kulinganisha na uwanja wa malipo sawa katika utupu kwa mara ε, ambapo ε ni kibali cha jamaa.

Ikiwa utupu kati ya sahani za capacitor hubadilishwa na dielectric, basi kutokana na polarization, capacitance huongezeka. Huu ndio msingi wa ufafanuzi rahisi wa ruhusa:

ambapo C 0 ni uwezo wa capacitor, kati ya sahani ambazo kuna utupu.

C d ni uwezo wa capacitor sawa na dielectric.

Ruhusa ε ya kati ya isotropiki imedhamiriwa na uhusiano:

(2)

ambapo χ ni unyeti wa dielectric.

D = tg δ ni tanjiti ya kupoteza dielectri

Hasara za dielectric - hasara ya nishati ya umeme kutokana na mtiririko wa mikondo katika dielectri. Tofautisha kati ya upitishaji wa sasa I sk.pr, unaosababishwa na kuwepo kwa idadi ndogo ya ioni za simu kwa urahisi katika dielectri, na mikondo ya polarization. Kwa polarization ya elektroniki na ionic, sasa polarization inaitwa displacement sasa I cm, ni ya muda mfupi sana na si kumbukumbu na vyombo. Mikondo inayohusishwa na aina za polepole (kupumzika) za ubaguzi huitwa mikondo ya kunyonya I abs. Katika hali ya jumla, jumla ya sasa katika dielectric inafafanuliwa kama: I = I abs + I rms. Baada ya kuanzisha polarization, jumla ya sasa itakuwa sawa na: I=I rms. Ikiwa katika eneo la mara kwa mara mikondo ya polarization hutokea wakati wa kuwasha na kuzima voltage, na jumla ya sasa imedhamiriwa kwa mujibu wa equation: I \u003d I sk.pr, basi katika uwanja mbadala mikondo ya polarization hutokea kwa sasa. ya kubadilisha polarity ya voltage. Matokeo yake, hasara katika dielectri katika uwanja mbadala inaweza kuwa muhimu, hasa ikiwa nusu ya mzunguko wa voltage iliyotumiwa inakaribia wakati wa kuanzishwa kwa polarization.

Kwenye mtini. 1 (a) inaonyesha mzunguko sawa na capacitor dielectric katika mzunguko wa AC voltage. Katika mzunguko huu, capacitor yenye dielectric halisi, ambayo ina hasara, inabadilishwa na capacitor bora C na upinzani wa kazi R unaounganishwa kwa sambamba. 1(b) inaonyesha mchoro wa vekta ya mikondo na voltages kwa mzunguko unaozingatiwa, ambapo U ni voltages katika mzunguko; I ak - kazi ya sasa; I p - sasa tendaji, ambayo ni 90 ° mbele ya sehemu ya kazi katika awamu; I ∑ - jumla ya sasa. Katika kesi hii: I a = I R = U / R na mimi p = I C = ωCU, ambapo ω ni mzunguko wa mzunguko wa shamba linalobadilishana.

Mchele. 1. (a) mpango; (b) - mchoro wa vector wa mikondo na voltages

Pembe ya kupoteza dielectric ni angle δ, ambayo inakamilisha hadi 90 ° angle ya kuhama awamu φ kati ya sasa I ∑ na voltage U katika mzunguko wa capacitive. Hasara katika dielectri katika uwanja unaobadilishana ni sifa ya tangent ya kupoteza dielectric: tg δ=I a / I p.

Viwango vya kizuizi vya tangent ya upotezaji wa dielectric kwa dielectri ya masafa ya juu haipaswi kuzidi (0.0001 - 0.0004), na kwa dielectri za masafa ya chini - (0.01 - 0.02).

Utegemezi wa ε na tan δ kwenye joto T na frequency ω

Vigezo vya dielectric vya vifaa hutegemea digrii tofauti juu ya joto na mzunguko. Idadi kubwa ya vifaa vya dielectric hairuhusu sisi kufunika vipengele vya utegemezi wote juu ya mambo haya.

Kwa hiyo, katika mtini. 2 (a, b) inaonyesha mielekeo ya jumla kwa baadhi ya makundi makuu i.e. Utegemezi wa kawaida wa ruhusa ε kwenye joto la T (a) na juu ya mzunguko ω (b) huonyeshwa.

Mchele. 2. Utegemezi wa mara kwa mara wa sehemu halisi (ε') na dhahania (ε') za kibali mbele ya utaratibu wa kustarehesha wa mwelekeo.

Complex permittivity. Katika uwepo wa michakato ya kupumzika, ni rahisi kuandika ruhusa katika fomu ngumu. Ikiwa fomula ya Debye ni halali kwa polarizability:

(3)

ambapo, τ ni wakati wa kupumzika, α 0 ni upatanishi wa mwelekeo wa takwimu. Halafu, kwa kudhani uwanja wa ndani ni sawa na ule wa nje, tunapata (katika CGS):

Grafu za utegemezi wa εʹ na εʺ kwenye bidhaa ωτ zimeonyeshwa kwenye mtini. 2. Kumbuka kwamba kupungua kwa εʹ (sehemu halisi ya ε) hufanyika karibu na upeo wa εʺ (sehemu ya kuwaziwa ya ε).

Tabia hii ya εʹ na εʺ yenye marudio ni mfano wa mara kwa mara wa matokeo ya jumla zaidi, kulingana na ambayo εʹ(ω) juu ya marudio pia inajumuisha utegemezi wa εʺ(ω) juu ya marudio. Katika mfumo wa SI, 4π inapaswa kubadilishwa na 1/ε 0 .

Chini ya hatua ya uwanja unaotumika, molekuli katika dielectri isiyo ya polar hugawanywa, na kuwa dipoles na wakati wa dipole μ. na, sawia na nguvu ya uwanja:

(5)

Katika dielectri ya polar, wakati wa dipole wa molekuli ya polar μ kwa ujumla ni sawa na jumla ya vekta ya μ 0 yake mwenyewe na μ inayosababishwa. na muda mfupi:

(6)

Nguvu za shamba zinazozalishwa na dipole hizi ni sawia na wakati wa dipole na zinawiana kinyume na mchemraba wa umbali.

Kwa nyenzo zisizo za polar kawaida ε = 2 - 2.5 na haitegemei mzunguko hadi ω ≈10 12 Hz. Utegemezi wa ε juu ya joto ni kutokana na ukweli kwamba wakati inabadilika, vipimo vya mstari wa imara na kiasi cha dielectri za kioevu na gesi hubadilika, ambayo hubadilisha idadi ya molekuli n kwa kiasi cha kitengo.

na umbali kati yao. Kutumia uhusiano unaojulikana kutoka kwa nadharia ya dielectri F=n\μ na na F=ε 0 (ε - 1) E, wapi F ni mgawanyiko wa nyenzo, kwa dielectri zisizo za polar tunazo:

(7)

Kwa E=const pia μ na= const na mabadiliko ya halijoto katika ε hutokana tu na mabadiliko katika n, ambayo ni kazi ya mstari wa halijoto Θ, utegemezi ε = ε(Θ) pia ni wa mstari. Hakuna utegemezi wa uchambuzi wa dielectri za polar, na zile za majaribio kawaida hutumiwa.

1) Kwa kuongezeka kwa joto, kiasi cha dielectric huongezeka na mara kwa mara ya dielectric hupungua kidogo. Kupungua kwa ε kunaonekana hasa wakati wa kulainisha na kuyeyuka kwa dielectri zisizo za polar, wakati kiasi chao kinaongezeka sana. Kwa sababu ya masafa ya juu ya elektroni katika obiti (kwa mpangilio wa 1015-1016 Hz), wakati wa kuanzisha hali ya usawa ya mgawanyiko wa elektroni ni mfupi sana na upenyezaji wa ε wa dielectri zisizo za polar hautegemei masafa ya uwanja katika kawaida. masafa yaliyotumika (hadi 1012 Hz).

2) Wakati joto linapoongezeka, vifungo kati ya ions binafsi hupungua, ambayo inawezesha mwingiliano wao chini ya hatua ya uwanja wa nje, na hii inasababisha kuongezeka kwa polarization ya ionic na permittivity ε. Kutokana na muda mfupi wa kuanzisha hali ya polarization ya ionic (kwa utaratibu wa 10 13 Hz, ambayo inalingana na mzunguko wa asili wa vibrations ya ioni kwenye kimiani ya kioo), mabadiliko katika mzunguko wa uwanja wa nje katika uendeshaji wa kawaida. safu haina athari kwa thamani ya ε katika nyenzo za ioni.

3) Ruhusa ya dielectri ya polar inategemea sana joto na mzunguko wa uwanja wa nje. Wakati joto linapoongezeka, uhamaji wa chembe huongezeka na nishati ya mwingiliano kati yao hupungua, i.e. mwelekeo wao unawezeshwa chini ya hatua ya uwanja wa nje - polarization ya dipole na ongezeko la ruhusa. Hata hivyo, mchakato huu unaendelea tu hadi joto fulani. Kwa ongezeko zaidi la joto, upenyezaji ε hupungua. Kwa kuwa mwelekeo wa dipoles katika mwelekeo wa shamba unafanywa katika mchakato wa mwendo wa joto na kwa njia ya mwendo wa joto, uanzishwaji wa polarization unahitaji muda wa kutosha. Wakati huu ni mrefu sana kwamba katika kubadilisha mashamba ya masafa ya juu, dipoles hawana muda wa kujielekeza kando ya shamba, na upenyezaji ε matone.

Njia ya kupima kibali

Uwezo wa capacitor. Capacitor- hii ni mfumo wa waendeshaji wawili (sahani), ikitenganishwa na dielectri, unene ambao ni mdogo ikilinganishwa na vipimo vya mstari wa waendeshaji. Kwa hiyo, kwa mfano, sahani mbili za gorofa za chuma, ziko katika sambamba na kutengwa na safu ya dielectric, huunda capacitor (Mchoro 3).

Ikiwa sahani za capacitor ya gorofa hupewa malipo sawa ya ishara kinyume, basi nguvu ya shamba la umeme kati ya sahani itakuwa kubwa mara mbili kuliko nguvu ya shamba ya sahani moja:

(8)

ambapo ε ni ruhusa ya dielectri kujaza nafasi kati ya sahani.

Kiasi halisi kinachoamuliwa na uwiano wa malipo q moja ya sahani za capacitor kwa tofauti ya uwezo Δφ kati ya sahani za capacitor inaitwa uwezo:

(9)

Kitengo cha SI cha uwezo wa umeme - Farad(F). Capacitor kama hiyo ina uwezo wa 1 F, tofauti inayowezekana kati ya sahani ambayo ni 1 V wakati sahani zinapewa malipo tofauti ya 1 C kila moja: 1 F = 1 C / 1 V.

Uwezo wa capacitor ya gorofa. Fomu ya kuhesabu uwezo wa umeme wa capacitor ya gorofa inaweza kupatikana kwa kutumia kujieleza (8). Kwa kweli, nguvu ya shamba: E= φ/εε 0 = q/ε 0 S, wapi S ni eneo la sahani. Kwa kuwa shamba ni sare, tofauti inayowezekana kati ya sahani za capacitor ni: φ 1 - φ 2 = Mh = qd/εε 0 S, wapi d- umbali kati ya sahani. Kubadilisha katika fomula (9), tunapata usemi wa uwezo wa umeme wa capacitor bapa:

(10)

wapi ε 0 ni dielectric mara kwa mara ya hewa; S ni eneo la sahani ya capacitor, S=hl, wapi h- upana wa sahani, l- urefu wake; d ni umbali kati ya sahani za capacitor.

Usemi (10) unaonyesha kwamba uwezo wa capacitor unaweza kuongezeka kwa kuongeza eneo hilo S sahani zake, kupunguza umbali d kati yao na utumiaji wa dielectri zilizo na maadili makubwa ya ruhusa ε.

Mchele. 3. Capacitor yenye dielectric iliyowekwa ndani yake

Ikiwa sahani ya dielectric imewekwa kati ya sahani za capacitor, uwezo wa capacitor utabadilika. Kuzingatia inapaswa kutolewa kwa eneo la sahani ya dielectri kati ya sahani za capacitor.

Tambua: d c - unene wa pengo la hewa; d m ni unene wa sahani ya dielectric, l B ni urefu wa sehemu ya hewa ya condenser, l m ni urefu wa sehemu ya capacitor iliyojaa dielectric, ε m ni mara kwa mara ya dielectric ya nyenzo. Kwa kuzingatia hilo l = l katika + l m, a d = d katika + d m, basi chaguzi hizi zinaweza kuzingatiwa kwa kesi:

Lini l kwa = 0, d kwa = 0 tuna capacitor na dielectric imara:

(11)

Kutoka kwa equations ya electrodynamics ya classical macroscopic, kulingana na equations ya Maxwell, inafuata kwamba wakati dielectri inapowekwa kwenye uwanja dhaifu wa kubadilishana ambao hubadilika kulingana na sheria ya harmonic na frequency ω, tensor tata ya kuruhusu inachukua fomu:

(12)

ambapo σ ni upitishaji wa macho wa dutu hii, εʹ ni ruhusa ya dutu inayohusiana na mgawanyiko wa dielectri. Usemi (12) unaweza kupunguzwa kwa fomu ifuatayo:

ambapo neno la kufikiria linawajibika kwa hasara za dielectric.

Katika mazoezi, C hupimwa - uwezo wa sampuli kwa namna ya capacitor gorofa. Capacitor hii ina sifa ya tangent ya kupoteza dielectric:

tgδ=ωCR c (14)

au wema:

Q c =1/tanδ (15)

ambapo R c ni upinzani, ambayo inategemea hasa hasara za dielectric. Ili kupima sifa hizi, kuna idadi ya mbinu: mbinu mbalimbali za daraja, vipimo na ubadilishaji wa parameter iliyopimwa katika muda wa muda, nk. .

Wakati wa kupima uwezo wa C na tangent ya kupoteza dielectric D = tgδ katika kazi hii, tulitumia mbinu iliyotengenezwa na kampeni ya GOOD WILL INSTRUMENT CO Ltd. Vipimo vilifanyika kwenye mita ya usahihi ya immitance - LCR-819-RLC. Kifaa hukuruhusu kupima uwezo ndani ya 20 pF–2.083 mF, kiwango cha hasara ndani ya 0.0001-9999 na kutumia sehemu ya upendeleo. Upendeleo wa ndani hadi 2 V, upendeleo wa nje hadi 30 V. Usahihi wa kipimo ni 0.05%. Mzunguko wa ishara ya mtihani 12 Hz -100 kHz.

Katika kazi hii, vipimo vilifanywa kwa mzunguko wa 1 kHz katika safu ya joto 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 .

Ili kupata utegemezi wa joto, kiini kilicho na sampuli kinawekwa kwenye mtiririko wa baridi (nitrojeni) unaopitishwa kupitia mchanganyiko wa joto, joto ambalo huwekwa na heater. Hali ya joto ya heater inadhibitiwa na thermostat. Maoni kutoka kwa mita ya joto hadi thermostat inakuwezesha kuweka kasi ya kipimo cha joto, au kutekeleza uimarishaji wake. Thermocouple hutumiwa kudhibiti joto. Katika kazi hii, joto lilibadilishwa kwa kiwango cha 1 deg / min. Njia hii inakuwezesha kupima joto na kosa la 0.1 deg.

Seli ya kupimia iliyo na sampuli iliyowekwa juu yake imewekwa kwenye kriyostati ya mtiririko. Uunganisho wa seli na LCR-mita unafanywa na waya zenye ngao kupitia kontakt kwenye kofia ya cryostat. Cryostat imewekwa kati ya nguzo za sumaku-umeme ya FL-1. Ugavi wa nguvu wa sumaku inaruhusu kupata mashamba ya magnetic hadi 15 kOe. Ili kupima ukubwa wa shamba la magnetic H, sensor ya Hall iliyoimarishwa kwa joto na kitengo cha umeme hutumiwa. Ili kuimarisha uwanja wa sumaku, kuna maoni kati ya usambazaji wa umeme na mita ya shamba la sumaku.

Thamani zilizopimwa za uwezo C na tangent ya hasara D = tan δ zinahusiana na thamani za kiasi cha kimwili kinachotafutwa εʹ na εʺ kwa mahusiano yafuatayo:

(16)

(17)

Jedwali nambari 1. Gd x Mn 1-x S, (x=0.1).