Описание установки и метода измерений

Метод_диэлектр Электротехнические и конструкционные материалы.

Составил Доцент КФТТ Авдеев Н. А.

ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОНИЦАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Цель и содержание работы

Цель работы заключается в изучении свойств диэлектриков и в ознакомлении с методом определения диэлектрической проницаемости по величине емкости плоского конденсатора.

ДИЭЛЕКТРИКИ

Диэлектрик, помещенный во внешнее электрическое поле, поляризуется под действием этого поля.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле E ₀ на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные не скомпенсированные связанные заряды.

Рис. 1

Связанные заряды создают внутри диэлектрика электрическое поле E′, направленное противоположно вектору напряженности внешнего. В результате полное электрическое поле E = E₀- E′ в диэлектрике оказывается по модулю меньше внешнего поля .

Физическая величина, равная отношению напряженности внешнего электрического поля в вакууме к напряженности полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества.

Диэлектрическая проницаемость, показывает во сколько раз внешнее поле, ослабляется веществом.

Диэлектрическая проницаемость материала тем выше, чем сильнее он поляризуется в электрическом поле.

Поляризация — это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул диэлектрика при воздействии элект рического поля.

Степень поляризации диэлектрика характеризуется векторной величиной, которая называется поляризованостью или вектором поляризации (P). Поляризованность определяется как электрический момент единицы объема диэлектрика

где N - число молекул в объеме . Поляризованность P часто называют поляризацией, понимая под этим количественную меру этого процесса.

В диэлектриках различают следующие типы поляризации: электронную, ориентационную и решеточную (для ионных кристаллов).

Электронный тип поляризации характерен для диэлектриков с неполярными молекулами. Во внешнем электрическом поле (рис. 2.1) положительные заряды внутри молекулы смещаются по направлению поля, а отрицательные в противоположном направлении, в результате чего молекулы приобретают дипольный момент, направленный вдоль внешнего поля

Рис. 2

Индуцированный дипольный момент молекулы пропорционален напряженности внешнего электрического поля , где - поляризуемость молекулы. Значение поляризованности в этом случае равно , где n - концентрация молекул ; - индуцированный дипольный момент молекулы, который одинаков для всех молекул и направление которого совпадает с направлением внешнего поля.

Ориентационнный тип поляризации характерен для полярных диэлектриков. В отсутствие внешнего электрического поля молекулярные диполи ориентированы случайным образом, так что макроскопический электрический момент диэлектрика равен нулю.

Рис. 3

Если поместить такой диэлектрик во внешнее электрическое поле, то на молекулу-диполь будет действовать момент сил (рис. 2.2), стремящийся ориентировать ее дипольный момент в направлении напряженности поля. Однако полной ориентации не происходит, поскольку тепловое движение стремится разрушить действие внешнего электрического поля.

Такая поляризация называется ориентационной. Поляризованность в этом случае равна , где <p> - среднее значение составляющей дипольного момента молекулы в направлении внешнего поля.

Решеточный тип поляризации характерен для ионных кристаллов. В ионных кристаллах (NaCl и т.д.) в отсутствие внешнего поля дипольный момент каждой элементарной ячейки равен нулю (рис. 2.3.а), под влиянием внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы смещаются в противоположные стороны (рис. 2.3.б). Каждая ячейка кристалла становится диполем, кристалл поляризуется. Такая поляризация называется решеточной. Поляризованность и в этом случае можно определить как , где - значение дипольного момента элементарной ячейки, n - число ячеек в единице объема.

Рис. 4

Поляризованность изотропных диэлектриков любого типа связана с напряженностью поля соотношением , где - диэлектрическая восприимчивость диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость, безразмерная величина e, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия F_o в вакууме:

ε =F_о/F.

Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, количественно характеризуя свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества, характеризующее степень его поляризуемости, определяется механизмами поляризации. Однако величина в большой мере зависит и от агрегатного состояния вещества, так как при переходах из одного состояния в другое существенно меняется плотность вещества, его вязкость и изотропность.

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов. Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов. Ёмкость конденсаторов определяется:

где ε_r — диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, ε_о — электрическая постоянная, S — площадь обкладок конденсатора, d — расстояние между обкладками.

Параметр диэлектрической проницаемости учитывается при разработке печатных плат. Значение диэлектрической проницаемости вещества между слоями в сочетании с его толщиной влияет на величину естественной статической ёмкости слоев питания, а также существенно влияет на волновое сопротивление проводников на плате.

Описание установки и метода измерений

Метод определения диэлектрической проницаемости, используемый в данной работе, основан на измерении электрической емкости плоского конденсатора, внутрь которого помещается пластина исследуемого диэлектрика. Эту емкость можно измерить, сравнивая емкость плоского конденсатора с емкостью эталонного конденсатора. Схема установки представлена на рис.3

Рис.4 Схема установки для измерения емкости.

Конденсатор – система из двух изолированных проводников, расположенных близко друг к другу. Эти проводники называют обкладками конденсатора. Если обкладкам конденсатора сообщить заряды +q и −q , то в пространстве между обкладками возникнет электрическое поле.

Основной характеристикой конденсатора является электроемкость С, которая равна

, (1.2.1)

где q – модуль заряда обкладок; Δϕ – разность потенциалов обкладок.

Электроемкость конденсатора зависит от формы, размеров обкладок, расстояния между ними, а также диэлектрической проницаемости среды, заполняющей пространство между обкладками. Например, для плоского конденсатора

, (1.2.2)

где ε – диэлектрическая проницаемость среды, ε₀ = 8,85⋅10− Ф/м^–12 электрическая постоянная; S – площадь обкладок; d – расстояние между обкладками.

Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 127; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!