Относительная диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков реферат
Обновлено: 05.07.2024
Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.
Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.
Определение диэлектрической проницаемости
Диэлектрическая проницаемость – это величина e, характеризующая поляризацию диэлектриков под действием электрического поля Е. Диэлектрическая проницаемость входит в Кулона закон как величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Ослабление взаимодействия происходит из-за экранизации свободных зарядов связанными, образующимися в результате поляризации среды. Связанные заряды возникают вследствие микроскопического перераспределения заряда в электрически нейтральной среде и, в отличие от свободных зарядов, не способны перемещаться под действием поля на макроскопические расстояния, т. е. не участвуют в электропроводности веществ.
Статическая диэлектрическая проницаемость е некоторых диэлектриков
Диэлектрическая проницаемость конденсатора
Емкость конденсатора зависит, как показывает опыт, не только от размера, формы и взаимного расположения составляющих его проводников, но также и от свойств диэлектрика, заполняющего пространство между этими проводниками. Влияние диэлектрика можно установить при помощи следующего опыта.
Рис. 4. Емкость конденсатора увеличивается при вдвигании эбонитовой пластинки между его обкладками. Листки электрометра спадают,хотя заряд остается прежним.
Список литературы
3. Сивухин Д.В. - Общий курс физики. Электричество. – М.: Физматлит, 2004
4. Завьялов А.С. Измерение диэлектрическoй проницаемости в свободном пространстве. Томск, 2000.
Историческая справка и понятие диэлектрической проницаемости.
Первыми работами, которые послужили основой для использования методов измерения диэлектрической проницаемости, были работы химика Друде (1897), в которых была установлена эмпирическая связь между строением молекул и диэлектрическими потерями, и Дебая (1925-1929), установившего связь между величиной диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь со строением молекул. Первым аналитическим применением измерений диэлектрической проницаемости было определение содержания влаги (Берлинер, Рютер,1929) в органических соединениях. Позднее были разработаны методы определения чистоты органических соединений, методы анализа бинарных органических систем и в 1950-1960 гг. впервые были опубликованы методы диэлектрометрического титрования органических систем. Следует отметить, что методы диэлектрометрии разработаны главным образом применительно к анализу непроводящих органических систем, что не исчерпывает всех возможностей диэлектрометрии. Итак, относительная диэлектрическая проницаемость ε определяется как отношение ёмкости С конденсатора, диэлектриком у которого является в данном случае исследуемая магнитная жидкость, к ёмкости С0 конденсатора, диэлектрикому которого является вакуум:
[sms]ССε= С0 Свозд
Из этого соотношения видно, что относительная диэлектрическая проницаемость ε является величиной безразмерной и не зависит от выбора системы единиц. Для безвоздушного пространства ε=1, для воздуха ε=1,0006, δля остальных веществ ε > 1. При внесении диэлектрика между электродами конденсатора наблюдается увеличение ёмкости в ε раз. Причиной этого является поляризация диэлектрика, вследствие чего на поверхностях соприкосновения электродов с диэлектриком возникают связанные заряды, способствующие уменьшению в ε раз интенсивности поля Е и разности потенциалов:
Абсолютная диэлектрическая проницаемость εа, в отличие от относительной, имеет размерность [ф·м-1]. Между абсолютной и относительной диэлектрическими проницаемостями существует следующая зависимость:
εΰ= εε0, γде ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, имеющая следующую размерность в единицах СИ:
ε0= 107/4πΡ2 ф·м-1= 8.85·10-12 ф·м-1, где скорость света в вакууме С= 2.998·108 м·сек-1. Сила взаимодействия наэлектризованных тел, согласно закону Кулона
F = q1q2,4πεε0 r 2 зависит как от электрических зарядов этих тел q1 и q2 и расстояния между ними r, так и от среды, в которой находятся взаимодействующие тела, характеризуемой абсолютной и относительной диэлектрическими проницаемостями. Смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием электрического поля обнаруживается как соответствующий ток смещения. Его мерой является величина диэлектрического тока ID, определяющегося как электрический заряд, который в процессе зарядки или разрядки конденсатора пересёк единицу поверхности, находящуюся перпендикулярно направлению перемещения заряда. Между величиной электрического поля Е, плотностью тока смещения ID и относительной диэлектрической проницаемостью существует линейная зависимость E. ок смещения существует и в проводниках. При наложении постоянного напряжения на проводник через него протекает большой ток. В этом случае можно говорить о диэлектрической проницаемости проводящих веществ. Из сказанного видно, что диэлектрическая проницаемость является мерой поляризации диэлектрика и является константой, присущей данному веществу.
Зависимость диэлектрической проницаемости от различных физических величин.
У твердых диэлектриков диэлектрическая проницаемость принимает самые различные значения из-за разнообразия структуры материалов. В твердых телах возможны все виды поляризации и диапазон изменения εr составляет от 2,0 до 10 6 .
У твердых неполярных диэлектриков с увеличением температуры диэлектрическая проницаемость в большинстве случаев растет. Это объясняется тем, что при повышении температуры ослабляются упругие
связи между ионами, что облегчает их смещение и усиливает ионную поляризацию (Рис. 2.8, график 1).
Рис. 2.8. Зависимости εγ от температуры для неполярных диэлектриков : 1 - электрофарфор ; 2 - полистирол
Однако благодаря термическому расширению вещества, уменьшается количество молекул в единице объема, поэтому у некоторых материалов происходит уменьшение εr с ростом температуры (Рис. 2.8, график 2).
У твердых полярных диэлектриков температурная зависимость диэлектрической проницаемости аналогична зависимости для полярных жидкостей (Рис. 2.7, а).
Наиболее сильно выражена температурная зависимость диэлектрической проницаемости у сегнетоэлектриков. Типичный характер этой зависимости показан на Рис. 2.9. Для зависимости характерен максимум в так называемой точке Кюри (Тс). При превышении температуры Тс тепловое движения атомов и молекул нарушает поляризованность доменов и спонтанная поляризация затухает.
Зависимости диэлектрической проницаемости от частоты у твердых
диэлектриков аналогичны зависимостям
у жидких. Для неполярных диэлектриков характерная зависимость приведена на Рис. 2.6, б; а для полярных - на Рис. 2.7, б.
Рис. 2.9. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от температуры
Контрольные вопросы
1. Каким показателем характеризуют электрические поля?
2. Что такое поляризация? Перечислите виды поляризации.
3. Что такое относительная диэлектрическая проницаемость?
4. Какие процессы в диэлектрике характеризуются относительной диэлектрической проницаемостью?
5. Как влияет поляризация на напряженность электрического поля в диэлектрике?
6. Как распределяется напряженность электрического поля в двухслойном диэлектрике?
7. Объясните температурную зависимость диэлектрической проницаемости полярной жидкости.
Из (4.1) следует, что ток, протекающий через активное сопротивление, совпадает по фазе с приложенным напряжением (Рис. 4.2, а). При этом векторы тока и напряжения, показанные на векторной диаграмме (Рис. 4.2, б), будут совпадать по направлению.
Если приложить синусоидальное напряжение u=Um·sinωt к конденсатору, то по синусоидальному закону будет меняться и заряд конденсатора
q = Cu = C Um·sinωt.
Рис. 4.2 Графики изменения тока и напряжения на активном сопротивлении а), соответствующая им векторная диаграмма б)
Рис. 4.3 Графики изменения тока и напряжения на конденсаторе а), соответствующая им векторная диаграмма б)
При этом конденсатор будет периодически перезаряжаться. Периодическая перезарядка конденсатора вызовет протекание через него зарядного тока
Из (4.2) видно, что ток через конденсатор по фазе опережает положенное напряжение на 90° (Рис. 4.3, а). Поэтому и на векторной диаграмме (Рис. 4.3, б) вектор тока, протекающего через конденсатор, опережает приложенное напряжение на 90 о .
Через реальный диэлектрик с диэлектрическими потерями, при воздействии переменного напряжения протекает ток I, имеющий две составляющие: активную Iаи реактивную (емкостную) Iс.
Рис. 4.4. Эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма диэлектрика с потерями
Поэтому эквивалентная схема замещения диэлектрика с потерями может быть представлена в виде параллельно соединенных конденсатора и активного сопротивления (Рис. 4.4, а).
Для такой схемы местоположение вектора токаİ на векторной диаграмме (Рис.4.4, б) определится геометрическим сложением вектора İа, совпадающего по фазе с приложенным напряжением, и вектора İс, опережающего по фазе напряжение на 90°.
Углом диэлектрических потерь называют угол d, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током İ, протекающим через диэлектрик, и приложенным к нему напряжением U.
Угол диэлектрических потерь - важный параметр, как материала диэлектрика, так и электроизоляционной конструкции. Чем больше этот угол, тем больше диэлектрические потери, расходуемые на нагрев диэлектрика.
Обычно в качестве параметра материала или конструкции приводят тангенс угла диэлектрических потерь
Если бы в диэлектрике активная мощность совсем не рассеивалась ("идеальный диэлектрик"), то активный ток Ia был бы равен нулю, а вектор тока Iопережал бы вектор напряжения U точно на 90°. При этом ток через диэлектрик был бы чисто емкостным и tgd, определяемый по (4.3), был бы равен нулю (Ia = 0). Поэтому схема замещения "идеального" диэлектрика представляет собой емкость.
Значения tgd у газообразных диэлектриков достаточно малы (10 -6 -10 -5 ), поэтому газообразные диэлектрики (воздух, азот и др.) используются в образцовых конденсаторах.
У жидких и твердых диэлектриков высокого класса tgd = (2÷6)·10 -4 , у остальных tgd = 0,002 ÷ 0,05.
Получим выражение для мощности диэлектрических потерь реального диэлектрика. Активная мощность, выделяемая в электрической цепи, определяется формулой
Подставляя значение активного тока из (4.3), мы получим
| Ра = U·Iс·tgd. | (4.5) |
Емкостный ток в цепи переменного напряжения:
Подставив (4.6) в формулу (4.5) получим окончательно:
| Pа = U 2 ·ωC·tgd. | (4.7) |
Из формулы (4.7) видно, что диэлектрические потери прямо пропорциональны tgd, они так же зависят от частоты и амплитуды приложенного напряжения и от емкости образца диэлектрика.
Диэлектрические потери неудобно выражать в абсолютном виде, т.к. они зависят от объема диэлектрика (с ним связано значение емкости С). Поэтому преимущество отдается показателю, который зависит только от качества материала и при этом относительно легко определяется. Таким показателем является тангенс угла диэлектрических потерь.
Диэлектрическая проницаемость — величина, характеризующая диэлектрические свойства среды — её реакцию на электрическое поле:
D = εF
В большинстве диэлектриков при не очень сильных полях диэлектрическая проницаемость не зависит от поля Е. В сильных же электрических полях (сравнимых с внутриатомными полями), а в некоторых диэлектриках в обычных полях зависимость D от Е — нелинейная.
Так же диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия Fo в вакууме:
Относительная диэлектрическая проницаемость вещества может быть определена путем сравнения ёмкости тестового конденсатора с данным диэлектриком (Cx) и ёмкости того же конденсатора в вакууме (Co):
Таблица значений диэлектрической проницаемости для твердых тел:
Таблица значений диэлектрической проницаемости для жидкостей:
Таблица значений диэлектрической проницаемости для газов:
Обозначение в формуле:
D — электрическая индукция в среде;
ε — диэлектрическая проницаемость среды;
E — напряжённость электрического поля;
F0 — сила взаимодействия между зарядами в среде;
F — сила взаимодействия между зарядами в вакууме;
Cx — ёмкость конденсатора в среде;
C0 — ёмкость конденсатора в вакууме.
Читайте также: