ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 ПО

ФИЗИКЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Методические указания к выполнению лабораторной работы №3 по разделу физики «Твердого тела» для студентов технических специальностей всех форм обучения

Красноярск 2012

Рецензент

Кандидат физико-математических наук, доцент О.Н. Бандурина

(Сибирский государственный аэрокосмический университет

имени академика М.Ф. Решетнева)

Печатается по решению методической комиссии ИКТ

Определение диэлектрической проницаемости полупроводников. Виртуальная лабораторная работа №3 по физике твердого тела: Методические указания к выполнению лабораторной работы №3 по разделу физики «Твердого тела» для студентов техн. спец. всех форм обучения / сост.: А.М. Харьков; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – Красноярск, 2012. – 21 с.

Сибирский государственный аэрокосмический

университет имени академика М.Ф. Решетнева, 2012

Введение……………………………………………………………………………...4

Допуск к лабораторной работе……………………………………………………...4

Оформление лабораторной работы к защите……………………………………...4

Определение диэлектрической проницаемости полупроводников…………........5

Теория метода……………………………………………………………………......5

Методика измерения диэлектрической проницаемости…………………..……..11

Обработка результатов измерений………………………..………………………16

Контрольные вопросы…………..………………………………………………….17

Тест………………………………………………………………………………….17

Список литературы…………………………………………………………………20

Приложение…………………………………………………………………………21

ВВЕДЕНИЕ

Данные методические указания содержат описания к лабораторным работам, в которых используются виртуальные модели из курса «Физика твердого тела».

Допуск к лабораторной работе:

Проводится преподавателем по группам с персональным опросом каждого студента. Для допуска:

1) Каждый студент предварительно оформляет свой персональный конспект данной лабораторной работы;

2) Преподаватель индивидуально проверяет оформление конспекта и задает вопросы по теории, методике измерений, установке и обработке результатов;

3) Студент отвечает на заданные вопросы;

4) Преподаватель допускает студента к работе и ставит свою подпись в конспекте студента.

Оформление лабораторной работы к защите:

Полностью оформленная и подготовленная к защите работа должна соответствовать следующим требованиям:

Выполнение всех пунктов: все расчеты требуемых величин, заполнены чернилами все таблицы, построены все графики и т.д.

Графики должны удовлетворять всем требованиям преподавателя.

Для всех величин в таблицах должна быть записана соответствующая единица измерения.

Записаны выводы по каждому графику.

Выписан ответ по установленной форме.

Записаны выводы по ответу.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Теория метода

Поляризация – это способность диэлектрика под действием электрического поля поляризоваться, т.е. изменять в пространстве расположение связанных заряженных частиц диэлектрика.

Важнейшим свойством диэлектриков является их способность к электрической поляризации, т.е. под влиянием электрического поля происходит направленное смещение заряженных частиц или молекул на ограниченное расстояние. Под действие электрического поля смещаются заряды, как в полярных, так и неполярных молекулах.

Существует более десятка различных видов поляризации. Рассмотрим некоторые из них:

1. Электронная поляризация – это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Оно происходит во всех атомах любого вещества, т.е. во всех диэлектриках. Электронная поляризация устанавливается за время 10 -15 –10 -14 с.

2. Ионная поляризация – смещение относительно друг друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями. Время ее установления 10 -13 –10 -12 с. Электронная и ионная поляризация относятся к числу мгновенных или деформационных видов поляризации.

3. Дипольная или ориентационная поляризация обусловлена ориентацией диполей в направлении электрического поля. Дипольной поляризацией обладают полярные диэлектрики. Время ее установления 10 -10 –10 -6 с. Дипольная поляризация относится к числу медленных или релаксационных видов поляризации.

4. Миграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках, в которых электрические заряды накапливаются на границе радела неоднородностей. Процессы установления миграционной поляризации очень медленны и могут протекать на протяжении минут и даже часов.

5. Ионно-релаксационная поляризация обусловлена избыточным перебросом слабо связанных ионов под действием электрического поля на расстояния, превышающие постоянную решетки. Ионно-релаксационная поляризация проявляется в некоторых кристаллических веществах при наличии в них примесей в виде ионов или неплотной упаковке кристаллической решетки. Время ее установления 10 -8 –10 -4 с.

6. Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных «дефектных» электронов или «дырок». Этот вид поляризации, как правило, обуславливает высокое значение диэлектрической проницаемости.

7. Спонтанная поляризация – самопроизвольная поляризация, возникающая в некоторых веществах (например, сегнетовой соли) в определенной области температур.

8. Упруго-дипольная поляризация связана с упругим поворотом диполей на небольшие углы.

9. Остаточная поляризация – поляризация, которая остается в некоторых веществах (электретах) в течение продолжительного времени после снятия электрического поля.

10. Резонансная поляризация . Если частота электрического поля близка к собственной частоте колебаний диполей, то колебания молекул могут возрасти, что приведет к появлению резонансной поляризации в дипольном диэлектрике. Резонансная поляризация наблюдается при частотах лежащих в области инфракрасного света. Реальный диэлектрик может одновременно обладать несколькими видами поляризации. Возникновение того или иного вида поляризации определяется физико-химическими свойствами вещества и диапазоном используемых частот .

Основные параметры:

ε – диэлектрическая проницаемость – мера способности материала к поляризации; это величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в данном материале меньше, чем в вакууме. Внутри диэлектрика возникает поле, направленное противоположно внешнему.

Напряженность внешнего поля ослабевает по сравнению с полем тех же зарядов в вакууме в ε раз, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость.

Если вакуум между обкладками конденсатора заменяется на диэлектрик, то в результате поляризации емкость возрастает. На этом основано простое определение диэлектрической проницаемости:

где C 0 – емкость конденсатора, между обкладками которого – вакуум.

C d – емкость того же конденсатора с диэлектриком.

Диэлектрическая проницаемость ε изотропной среды определяется отношением:

(2)

где χ – диэлектрическая восприимчивость.

D = tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь

Диэлектрические потери – потери электрической энергии, обусловленные протеканием токов в диэлектриках. Различают ток сквозной проводимости I ск.пр, вызванный наличием в диэлектриках небольшого количества легкоподвижных ионов, и поляризационные токи. При электронной и ионной поляризации поляризационный ток называется током смещения I см, он очень кратковременный и не регистрируется приборами. Токи, связанные с замедленными (релаксационными) видами поляризации, называются токами абсорбции I абс. В общем случае суммарный ток в диэлектрике определяется как: I=I абс +I ск.пр. После установления поляризации суммарный ток будет равен: I=I ск.пр. Если в постоянном поле поляризационные токи возникают в момент включения и выключения напряжения, и суммарный ток определяется в соответствии с уравнением: I=I ск.пр, то в переменном поле поляризационные токи возникают в момент смены полярности напряжения. Вследствие этого потери в диэлектрике в переменном поле могут быть значительными, особенно если полупериод приложенного напряжения приближается к времени установления поляризации.

На рис. 1(a) приведена схема, эквивалентная конденсатору с диэлектриком, находящемуся в цепи переменного напряжения. В этой схеме конденсатор с реальным диэлектриком, который обладает потерями, заменен идеальным конденсатором C с параллельно включенным активным сопротивлением R. На рис. 1(б) приведена векторная диаграмма токов и напряжений для рассматриваемой схемы, где U – напряжения в цепи; I ак – активный ток; I р – реактивный ток, который опережает по фазе на 90° активную составляющую; I ∑ - суммарный ток. При этом: I а =I R =U/R и I р =I C =ωCU, где ω – круговая частота переменного поля.

Рис. 1. (а) – схема; (б) – векторная диаграмма токов и напряжений

Углом диэлектрических потерь называется угол δ, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током I ∑ и напряжением U в емкостной цепи. Потери в диэлектриках в переменном поле характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь: tg δ=I а /I р.

Предельные значения тангенса угла диэлектрических потерь для высокочастотных диэлектриков не должны превышать (0,0001 – 0,0004), а для низкочастотный – (0,01 – 0,02).

Зависимости ε и tg δ от температуры T и частоты ω

Диэлектрические параметры материалов в различной степени зависят от температуры и частоты. Большое количество диэлектрических материалов не позволяет охватить особенности всех зависимостей от указанных факторов.

Поэтому на рис. 2 (a, б) изображены общие тенденции, характерные для некоторых основных групп т.е. приведены типичные зависимости диэлектрической проницаемости ε от температуры T (а) и от частоты ω (б).

Рис. 2. Частотная зависимость действительной (εʹ) и мнимой (εʺ) частей диэлектрической проницаемости при наличии ориентационного механизма релаксации

Комплексная диэлектрическая проницаемость. При наличии процессов релаксации диэлектрическую проницаемость удобно записывать в комплексном виде. Если для поляризуемости справедлива формула Дебая:

(3)

где, τ – время релаксации, α 0 – статистическая ориентационная поляризуемость. То, полагая локальное поле равным внешнему, получим (в СГС):

Графики зависимости εʹ и εʺ от произведения ωτ приведены на рис. 2. Заметим, что уменьшение εʹ (действительной части ε) имеет место вблизи максимума εʺ (мнимой части ε).

Такой ход изменения εʹ и εʺ с частотой служит частым примером более общего результата, согласно которому εʹ(ω) от частоты влечет за собой также и зависимость εʺ(ω) от частоты. В системе СИ следует заменить 4π на 1/ε 0 .

Под действием приложенного поля молекулы в неполярном диэлектрике поляризуются, становясь диполями с индуцированным дипольным моментом μ и , пропорциональным напряженности поля:

(5)

В полярном диэлектрике дипольный момент полярной молекулы μ в общем случае равен векторной сумме собственного μ 0 и индуцированного μ и моментов:

(6)

Напряженности поля, создаваемого этими диполями, пропорциональны дипольному моменту и обратно пропорциональны кубу расстояния.

Для неполярных материалов обычно ε = 2 – 2,5 и не зависит от частоты до ω ≈10 12 Hz. Зависимость ε от температуры обусловлена у них тем, что при ее изменении изменяются линейные размеры твердых и объемы жидких и газообразных диэлектриков, что изменяет число молекул n в единице объема

и расстояния между ними. Используя известные из теории диэлектриков соотношения F=n\ μ и и F= ε 0 (ε- 1)Е, где F – поляризованность материала, для неполярных диэлектриков имеем:

(7)

При E=const также μ и = const и температурное изменение ε обусловлено только изменением n, которое является линейной функцией температуры Θ, зависимость ε = ε(Θ) также является линейной. Для полярных диэлектриков аналитических зависимостей нет, и обычно пользуются эмпирическими.

1)С возрастанием температуры объем диэлектрика увеличивается и диэлектрическая проницаемость немного уменьшается. Особенно заметно уменьшение ε в период размягчения и плавления неполярных диэлектриков, когда их объем существенно возрастает. Ввиду высокой частоты обращения электронов на орбитах (порядка 10 15 –10 16 Hz) время установления равновесного состояния электронной поляризации очень мало и проницаемость ε неполярных диэлектриков не зависит от частоты поля в обычно используемом диапазоне частот (до 10 12 Hz).

2) При повышении температуры ослабевают связи между отдельными ионами, что облегчает их взаимодействие под действием внешнего поля и это приводит к увеличению ионной поляризации и диэлектрической проницаемости ε. Ввиду малости времени установления состояния ионной поляризации (порядка 10 13 Hz, что соответствует собственной частоте колебания ионов в кристаллической решетке) изменение частоты внешнего поля в обычных рабочих диапазонах практически не отражается на величине ε в ионных материалов.

3) Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков сильно зависит от температуры и частоты внешнего поля. С возрастанием температуры увеличивается подвижность частиц и уменьшается энергия взаимодействия между ними, т.е. облегчается их ориентация под действием внешнего поля – возрастает дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость. Однако этот процесс продолжается лишь до определенной температуры. При дальнейшем возрастании температуры проницаемость ε уменьшается. Так как ориентация диполей по направлению поля осуществляется в процессе теплового движения и посредством теплового движения, то установление поляризации требует значительного времени. Это время настолько велико, что в переменных полях высокой частоты диполи не успевают ориентироваться по полю, и проницаемость ε падает .

Методика измерения диэлектрической проницаемости

Емкость конденсатора. Конденсатор – это система из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с линейными размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют конденсатор (рис. 3).

Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины:

(8)

где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего пространство между пластинами.

Физическая величина, определяемая отношением заряда q одной из пластин конденсатора к разности потенциалов Δφ между обкладками конденсатора, называется электроемкостью конденсатора :

(9)

Единица электроемкости СИ – Фарад (Ф). Емкостью в 1 Ф обладает такой конденсатор, разность потенциалов между обкладками которого равна 1 В при сообщении обкладкам разноименных зарядов по 1 Кл: 1 Ф = 1 Кл/1 В.

Емкость плоского конденсатора. Формулу для вычисления электроемкости плоского конденсатора можно получить, используя выражение (8). В самом деле, напряженность поля: Е = φ/εε 0 = q/εε 0 S , где S – площадь пластины. Поскольку поле однородное, то разность потенциалов между обкладками конденсатора равна: φ 1 – φ 2 = Еd = qd /εε 0 S , где d – расстояние между обкладками. Подставив в формулу (9), получим выражение для электроемкости плоского конденсатора:

(10)

где ε 0 – диэлектрическая проницаемость воздуха; S – площадь пластины конденсатора, S=hl , где h – ширина пластины, l – ее длина; d – расстояние между пластинами конденсатора.

Выражение (10) показывает, что электроемкость конденсатора можно увеличить путем увеличения площади S его обкладок, уменьшения расстояния d между ними и применения диэлектриков с большими значениями диэлектрической проницаемости ε .

Рис. 3. Конденсатор с помещенным в него диэлектриком

Если между пластинами конденсатора поместить пластину из диэлектрика, емкость конденсатора изменится. Следует рассмотреть вариант расположения диэлектрической пластины между пластинами конденсатора.

Обозначим: d в – толщину воздушного промежутка, d м – толщину диэлектрической пластины, l В – длину воздушной части конденсатора, l м – длину части конденсатора, заполненной диэлектриком, ε м – диэлектрическую проницаемость материала. Если учесть, что l = l в + l м, а d = d в + d м, то эти варианты можно рассмотреть для случаев:

В случае l в = 0, d в = 0 мы имеем конденсатор с твердым диэлектриком:

(11)

Из уравнений классической макроскопической электродинамики, основанной на уравнениях Максвелла следует, что при помещении диэлектрика в слабое переменное поле, изменяющееся по гармоническому закону с частотой ω, тензор комплексной диэлектрической проницаемости приобретает вид:

(12)

где σ – оптическая проводимость вещества, εʹ – диэлектрическая проницаемость вещества, связанная с поляризацией диэлектрика. Выражение (12) можно привести к следующему виду:

(13)

где мнимое слагаемое отвечает за диэлектрические потери .

На практике измеряют С – емкость образца, имеющего форму плоского конденсатора. Этот конденсатор характеризуется тангенсом угла диэлектрических потерь:

tgδ=ωCR c (14)

или добротностью:

Q c =1/ tgδ (15)

где R c – сопротивление, зависящее, главным образом, от диэлектрических потерь. Для измерения этих характеристик существует ряд методов: различные мостовые методы, измерения с преобразованием измеряемого параметра во временной интервал и т.д. .

При измерениях емкости С и тангенса угла диэлектрических потерь D = tgδ в данной работе была использована методика, разработанная кампанией GOOD WILL INSTRUMENT Со Ltd. Измерения проведены на прецизионном измерителе иммитанса – LCR-819-RLC. Прибор позволяет измерять емкость в пределах 20 pF–2,083 mF, тангенс угла потерь в пределах 0,0001-9999 и подавать поле смещения. Внутреннее смещение до 2 В, внешнее смещение до 30 В. Точность измерений составляет 0,05 %. Частота тест-сигнала 12 Hz -100 kHz.

В этой работе измерения проведены на частоте 1 kHz в интервале температур 77 К < 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 .

С целью получений температурных зависимостей ячейка с образцом помещается в поток хладагента (азота) пропускаемый через теплообменник, температура которого задается нагревателем. Температура нагревателя контролируется терморегулятором. Обратная связь с измерителя температуры на терморегулятор позволяет задавать скорость измерения температуры, либо осуществлять ее стабилизацию. Для контроля температуры используется термопара. В данной работе температура изменялась со скоростью 1 град/мин. Указанный метод позволяет измерять температуру с погрешностью 0,1 град.

Измерительная ячейка с закрепленным на ней образцом помещается в проточный криостат. Связь ячейки с LCR-метром осуществляется экранированными проводами через разъем в капке криостата. Криостат размещен между полюсами электромагнита ФЛ-1. Блок питания магнита позволяет получать магнитные поля до 15 kOe. Для измерения величины напряженности магнитного поля Н используется термостабилизированный датчик Холла с блоком электроники. Для стабилизации магнитного поля между блоком питания и измерителем магнитного поля существует обратная связь.

Измеренные значения емкости С и тангенса угла потерь D = tg δ связаны со значениями искомых физических величин εʹ и εʺ следующими соотношениями:

(16)

(17)

№	C (pF)	Re (ε’)	T (°К)	tg δ	Q c	Im (ε”)	ω (Hz)	σ (ω)
	3,805	71,66		0,075	13,33	5,375	10 3
	3,838			0,093
	3,86			0,088
	3,849			0,094
	3,893			0,106
	3,917			0,092
	3,951			0,103
	3,824			0,088
	3,873			0,105
	3,907			0,108
	3,977			0,102
	4,031			0,105
	4,062			0,132
	4,144			0,109
	4,24			0,136
	4,435			0,175
	4,553			0,197
	4,698			0,233
	4,868			0,292
	4,973			0,361
	5,056			0,417
	5,164			0,491
	5,246			0,552
	5,362			0,624
	5,453			0,703
	5,556			0,783
	5,637			0,867
	5,738			0,955
	5,826			1,04
	5,902			1,136

Таблица №1. Gd x Mn 1-x S, (x=0.1).

Диэлектрическая проницаемость

О явлении поляризации судят по значению диэлектрической проницаемости ε. Параметр ε, характеризующий способность материала образовывать емкость, называется относительной диэлектрической проницаемостью.

Слово “относительная” обычно опускается. Надо учесть, что электрическая емкость участка изоляции с электродами, т.е. конденсатора, зависит от геометрических размеров, конфигурации электродов и от структуры материала, образующего диэлектрик этого конденсатора.

В вакууме ε = 1, а любого диэлектрика всегда больше 1. Если С0 - ем-

кость, между обкладками которого находится вакуум, произвольной формы и размеров, а С - емкость конденсатора таких же размеров и формы, но заполненного диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, то

Обозначив через С0 электрическую постоянную (Ф/м), равную

С0 = 8,854.10-12,

найдем абсолютную диэлектрическую проницаемость

ε’ = ε0 .ε.

Определим величины емкостей для некоторых форм диэлектриков.

Для плоского конденсатора

С = ε0 ε S/h = 8,854 1О-12 ε S/h.

где S - площадь поперечного сечения электрода, м2;

h - расстояние между электродами, м.

Практическое значение диэлектрической проницаемости очень велико. Она определяет не только способность материала образовывать емкость, но и входит в ряд основных уравнений, которые характеризуют физические процессы, протекающие в диэлектрике.

Диэлектрическая проницаемость газов, вследствие их малой плотности (из-за больших расстояний между молекулами) незначительна и близка к единице. Обычно поляризация газа электронная или дипольная, если молекулы полярные. ε газа тем выше, чем больше радиус молекулы. Изменение числа молекул газа в единице объема газа (n) при изменении температуры и давления вызывает изменение диэлектрической проницаемости газа. Число молекул N пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.

При изменении влажности диэлектрическая проницаемость воздуха незначительно меняется прямо пропорционально изменению влажности (при комнатной температуре). При повышенной температуре влияние влажности значительно усиливается. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости характеризуется выражением

T K ε = 1 / ε (dε / dT).

По этому выражению можно вычислить относительное изменение диэлектрической проницаемости при изменении температуры на 1 0 К - так называемый температурный коэффициент ТК диэлектрической проницаемости.

Значение ТК неполярного газа находится по формуле

T K ε = (ε -1) / dT.

где Т - температура. К.

Диэлектрическая проницаемость жидкостей сильно зависит от их структуры. Значения ε неполярных жидкостей невелики и близки к квадрату показателя преломления света n 2. Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей, которые используются в качестве технических диэлектриков, лежит в пределах от 3,5 до 5, что заметно выше, чем у неполярных жидкостей.

Так поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями.

Сильнополярные жидкости, характеризуются высоким значением ε из-за их большой проводимости. Температурная зависимость ε в дипольных жидкостях имеет более сложный характер, чем нейтральные жидкости.

Поэтому ε на частоте 50 Гц для хлорированного дифенила (савол) быстро возрастает из-за резкого падения вязкости жидкости, а дипольные

молекулы успевают ориентироваться вслед за изменением температуры.

Уменьшение ε происходит вследствие усиления теплового движения молекул, препятствующего их ориентации в направлении электрического поля.

Диэлектрики по виду поляризации делятся на четыре группы:

Первая группа – однокомпозиционные, однородные, чистые без добавок, диэлектрики, у которых в основном электронная поляризация или плотная упаковка ионов. К ним относятся неполярные и слабополярные твердые диэлектрики в кристаллическом или аморфном состоянии, а также неполярные и слабополярные жидкости и газы.

Вторая группа – технические диэлектрики с электронной, ионной и одновременно с дипольно-релаксационной поляризациями. К ним относятся полярные (дипольные) органические полужидкие и твердые вещества, например масляно-канифольные компаунды, целлюлоза, эпоксидные смолы и композиционные материалы, составленные из этих веществ.

Третья группа – технические диэлектрики с ионной и электронной поляризациями; диэлектрики с электронной, ионной релаксационными поляризациями делится на две подгруппы. К первой подгруппе относятся в основном кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов ε < 3,0.

Ко второй подгруппе относятся неорганические стекла и материалы, содержащие стекловидную фазу, а также кристаллические вещества с неплотной упаковкой ионов.

Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, имеющие спонтанную, электронную, ионную, электронно-ионно-релаксационные поляризации, а также миграционную или высоковольтную для композиционных, сложных и слоистых материалов.

4.Диэлектрические потери электроизоляционных материалов. Виды диэлектрических потерь.

Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимо­стью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, как указыва­лось выше, значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При пере­менном напряжении необходимо использо­вать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнитель­ные причины, вызывающие потери в диэлектрике.

Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями; чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.

Рис. 3-1. Зависимость заряда от напряжения для ли­нейного диэлектрика без потерь (а), c потерями (б)

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением в емкост­ной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол диэлек­трических потерь будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем меньше угол фазового сдвига и тем больше угол и его функция tg .

Из теории переменных токов известно, что активная мощность

Ра = UI cos (3-1)

Выразим мощности для последовательной и параллельной схем через емкости Cs и Сp и угол , который является дополнением угла до 90°.

Для последовательной схемы, используя выражение (3-1) и со­ответствующую векторную диаграмму, имеем

P a = (3-2)

tg = C s r s (3-3)

Для параллельной схемы

P a =UI a =U 2 C p tg (3-4)

tg = (3-5)

Приравнивая друг к другу выражения (3-2) и (3-4), а также (3-3) и (3-5) находим соотношения между Сp и Cs и между rp и rs

C p =C s /1+tg 2 (3-6)

r p = r s (1+ 1/ tg 2 ) (3-7)

Для высококачественных диэлектриков можно пренебречь значени­ем tg2 по сравнению с единицей в формуле (3-8) и считать Ср Cs С. Выражения для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут одинаковы для обеих схем:

P a U 2 C tg (3-8)

где Ра - активная мощность, Вт; U - напряжение, В; - угло­вая частота, с-1; С - емкость, Ф.

Сопротивление rр в параллельной схеме, как следует из выражения (3-7), во много раз больше сопротивления rs.Выражение для удельных диэлектрических потерь, т. е. мощности, рассеиваемой в единице объема диэлектрика, имеет вид:

(3-9)

где р - удельные потери, Вт/м3; =2 - угловая частота, с-1, Е -напряженность электрического поля, В/м.

Действительно, емкость между противоположными гранями куба со стороной 1 м будет

С1 = 0 r , реактивная составляющая удельной проводимости

(3-10)

a активная составляющая

Определив каким-либо методом при некоторой частоте параметры эквивалентной схемы исследуемого диэлектрика (Ср и rр или Cs и rs), l общем случае нельзя считать полученные значения емкости и сопротивления присущими данному конденсатору и пользоваться этими данными для расчета угла потерь при другой частоте. Такой расчет может быть сделан только в том случае, если эквивалентная схема имеет определенное физическое обоснование. Так, например, если известно для данного диэлектрика, что потери в нем определя­ются только потерями от сквозной электропроводности в широком диапазоне частот, то угол потерь конденсатора с таким диэлектриком может быть вычислен для любой частоты, лежащей в этом диапазоне

tg =1/ Crp (3-12)

где С и rp - постоянные емкость и сопротивление, измеренные приданной частоте.

Потери в таком конденсаторе, как легко видеть, не зависят от частоты:

Pa=U2/ rp (3-13)

наоборот если потери в конденсаторе обусловливаются главным образом сопротивлением подводящих проводов, а также сопротивлением самих электродов (например, тонкий слой серебра), то рассеиваемая мощность в таком конденсаторе будет возрастать пропор­ционально квадрату частоты:

Pa=U2 C tg =U2 C Crs=U2 2C2rs (3-14)

Из последнего выражения можно сделать весьма важный практический вывод: конденсаторы, предназначенные для работы на вы­сокой частоте, должны иметь по возможности малое сопротивление как электродов, так и соединительных проводов и переходных кон­тактов.

Диэлектрические потери по их особенностям и физической при­роде можно подразделить на четыре основных вида:

1) диэлектрические потери, обусловленные поляризацией;

2) диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью;

ионизационные диэлектрические потери;

диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией, особенно отчетливо наблюдаются в веществах, обладающих релаксационной поляризацией: в диэлектриках дипольной структуры и в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов.

Релаксационные диэлектрические потери обусловлены нарушением теплового движения частиц под влиянием сил электрического поля.

Диэлектрические потери, наблюдаемые в сегнетоэлектриках, свя­заны с явлением спонтанной поляризации. Поэтому потери в сегнетоэлектриках значительны при температурах ниже точки Кюри, когда наблюдается спонтанная поляризация. При температурах выше точ­ки Кюри потери в сегнетоэлектриках уменьшаются. Электрическое старение сегнетоэлектрика со временем сопровождается некоторым уменьшением потерь.

К диэлектрическим потерям, обусловленным поляризацией, сле­дует отнести также так называемые резонансные потери, проявля­ющиеся в диэлектриках при высоких частотах. Этот вид потерь с особой четкостью наблюдается в некоторых газах при строго оп­ределенной частоте и выражается в интенсивном поглощении энер­гии электрического поля.

Резонансные потери возможны и в твердых веществах, если частота вынужденных колебаний, вызываемых электрическим полем, сов­падает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tg характерно также и для резонансного механизма потерь, однако в данном случае температура не влияет на положение максимума.

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную проводимость.

Тангенс угла диэлектрических потерь в этом случае можно вычислить по формуле

Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты поля; tg уменьшается с частотой по гиперболическому закону.

Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, возрастают с температурой по экспоненциальному закону

PaT=Aexp(-b/T) (3-16)

где А,b - постоянные материала. Приближенно формулу (3-16) можно переписать так:

PaT=Pa0exp( t) (3-17)

где PaT - потери при температуре t, °С; Ра0 - потери при температуре 0°С; - постоянная материала.

Тангенс диэлектрических потерь в зависимости от температуры изменяется по тому же закону, который использован для аппроксимации температурной зависимости Ра, так как температурным изменением емкости можно пренебречь.

Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам и газообразном состоянии; Ионизационные потери проявляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значение, соответствующее началу ионизации данного газа. Ионизационные потери можно вычислить по формуле

Pa.и=A1f(U-Uи)3 (3-18)

где А1 - постоянный коэффициент; f - частота поля; U - прило­женное напряжение; Uи - напряжение, соответствующее началу ионизации.

Формула (3-18) справедлива при U > Uи и линейной зависи­мости tg от Е. Ионизационное напряжение Uи зависит от давления, при котором находится газ, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега носителей заряда.

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью струк­туры, наблюдаются в слоистых диэлектриках, из пропитанной бумаги и ткани, в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике в миканитах, микалексе и т. д.

Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков и особенностей содержащихся в них компонентов не существует общей формулы расчета диэлектрических потерь этого вида.

• определяющая напряжённость электрического поля в вакууме;
• входящая в выражения некоторых законов электромагнетизма , в том числе закона Кулона , при записи их в форме, соответствующей Международной системе единиц .

Через диэлектрическую постоянную осуществляется связь между относительной и абсолютной диэлектрической проницаемостью . Она также входит в запись закона Кулона :

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Диэлектрическая постоянная" в других словарях:

диэлектрическая постоянная - диэлектрическая проницаемость — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы диэлектрическая проницаемость… …

- (обозначение e0), физическая величина, указывающая на соотношение силы, действующей между электрическими зарядами в вакууме с размером этих зарядов и расстоянием между ними. Первоначально этот показатель носил название ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ… … Научно-технический энциклопедический словарь

диэлектрическая постоянная - абсолютная диэлектрическая проницаемость (для изотропного вещества); отрасл. диэлектрическая постоянная Скалярная величина, характеризующая электрические свойства диэлектрика и равная отношению электрического смещения в нем к напряженности… …

диэлектрическая постоянная - dielektrinė skvarba statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. dielectric constant; permittivity vok. dielektrische Leitfähigkeit, f; Dielektrizitätskonstante, f; Permittivität, f rus. диэлектрическая постоянная, f; диэлектрическая проницаемость … Fizikos terminų žodynas

Устаревшее название диэлектрической проницаемости (См. Диэлектрическая проницаемость) … Большая советская энциклопедия

Диэлектрическая постоянная ε для некоторых жидкостей (при 20°С) - Растворитель ε Ацетон 21,5 Бензол 2,23 Вода 81,0 … Химический справочник

начальная диэлектрическая постоянная - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN initial dielectric constant … Справочник технического переводчика

относительная диэлектрическая постоянная - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN relative permittivityrelative dielectric constant … Справочник технического переводчика

удельная диэлектрическая постоянная - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN simultaneous interchange capabilitySIC … Справочник технического переводчика

диэлектрическая проницаемость - абсолютная диэлектрическая проницаемость; отрасл. диэлектрическая проницаемость Скалярная величина, характеризующая электрические свойства диэлектрика равная отношению величины электрического смещения к величине напряженности электрического поля … Политехнический терминологический толковый словарь

Уровень поляризуемости вещества характеризуется особенной величиной, которую называют диэлектрическая проницаемость. Рассмотрим, что это за величина.

Допустим, что напряженность однородного поля между двух заряженных пластин в пустоте равна Е₀. Теперь заполним промежуток между ними любым диэлектриком. которые появятся на границе между диэлектриком и проводником благодаря его поляризации, частично нейтрализуют воздействие зарядов на пластинах. Напряженность Е данного поля станет меньше напряженности Е₀.

Опыт обнаруживает, что при последовательном заполнении промежутка между пластинами равными диэлектриками, величины напряженности поля окажутся разными. Поэтому зная величину отношения напряженности электрополя между пластинами в отсутствие диэлектрика Е₀ и при наличии диэлектрика Е, можно определять его поляризуемость, т.е. его диэлектрическую проницаемость. Эту величину принято обозначать греческой буквой ԑ (эпсилон). Следовательно, можно написать:

Диэлектрическая проницаемость демонстрирует, во сколько раз данных зарядов в диэлектрике (однородном) будет меньше, чем в вакууме.

Уменьшение силы взаимодействия между зарядами вызвано процессами поляризации среды. В электрическом поле электроны в атомах и молекулах уменьшаются по отношению к ионам, и возникает Т.е. те молекулы, у которых есть свой дипольный момент (в частности молекулы воды), ориентируются в электрическом поле. Эти моменты создают собственное электрическое поле, противодействующее тому полю, которое вызвало их появление. В результате суммарное электрическое поле уменьшается. В небольших полях это явление описывают с помощью понятия диэлектрической проницаемости.

Ниже приведена диэлектрическая проницаемость в вакууме различных веществ:

Воздух……………………………....1,0006

Парафин…………………………....2

Плексиглас (оргстекло)……3-4

Эбонит……………………………..…4

Фарфор……………………………....7

Стекло…………………………..…….4-7

Слюда……………………………..….4-5

Шелк натуральный............4-5

Шифер..............................6-7

Янтарь…………………………...……12,8

Вода………………………………...….81

Данные значения диэлектрической проницаемости веществ относятся к окружающим температурам в пределах 18—20 °С. Так, диэлектрическая проницаемость твердых тел незначительно изменяется с температурой, исключением являются сегнетоэлектрики.

Напротив, у газов она уменьшается из-за повышения температуры и возрастает в связи с увеличением давления. В практике принимается за единицу.

Примеси в небольших количествах мало влияют на уровень диэлектрической проницаемости жидкостей.

Если два произвольных точечных заряда поместить в диэлектрик, то напряженность поля, создаваемого каждым из этих зарядов в точке нахождения другого заряда, уменьшается в ԑ раз. Из этого следует, что сила, с которой эти заряды взаимодействуют один с другим, также в ԑ раз меньше. Поэтому для зарядов, помещенных в диэлектрик, выражается формулой:

F = (q₁q₂)/(4πԑₐr²),

где F — является силой взаимодействия, q₁ и q₂, — величины зарядов, ԑ — является абсолютной диэлектрической проницаемостью среды, г — дистанция между точечными зарядами.

Значение ԑ численно можно показать в относительных единицах (по отношению к значению абсолютной диэлектрической проницаемости вакуума ԑ₀). Величина ԑ = ԑₐ/ԑ₀ называют относительной диэлектрической проницаемостью. Она раскрывает, во сколько раз взаимодействие между зарядами в бесконечной однородной среде слабее, чем в вакууме; ԑ = ԑₐ/ԑ₀ часто называют комплексная диэлектрическая проницаемость. Численное значение величины ԑ₀, а также ее размерность зависимы от того, какая система единиц выбрана; а значение ԑ - не зависит. Так, в системе СГСЭ ԑ₀ = 1 (эта четвертая основная единица); в системе СИ диэлектрическая проницаемость вакуума выражается:

ԑ₀ = 1/(4π˖9˖10⁹) фарада/метр = 8,85˖10⁻¹² ф/м (в этой системе ԑ₀ является производной величиной).

Лекция №19

1. Природа электропроводности газообразных, жидких и твердых диэлектриков

Диэлектрическая проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость, или диэлектрическая проницаемость ε - один из важнейших макроскопических электрических параметров диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость ε количественно характеризует способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле, а также оценивает степень его полярности; ε является константой диэлектрического материала при данной температуре и частоте электрического напряжения и показывает, во сколько раз заряд конденсатора с диэлектриком больше заряда конденсатора тех же размеров с вакуумом.

Диэлектрическая проницаемость определяет величину электрической емкости изделия (конденсатора, изоляции кабеля и т.п.). Для плоского конденсатора электрическая емкость С, Ф, выражается формулой (1)

где S- площадь измерительного электрода, м 2 ; h - толщина диэлектрика, м. Из формулы (1) видно, что чем больше величина ε используемого диэлектрика, тем больше электрическая емкость конденсатора при тех же габаритах. В свою очередь, электрическая емкость С является коэффициентом пропорциональности между поверхностным зарядом QК, накопленным конденсатором, и приложенным к нему электрическим на-

пряжением U (2):

Из формулы (2) следует, что электрический заряд QК, накопленный конденсатором, пропорционален величине ε диэлектрика. Зная QК игеометрические размеры конденсатора, можно определить ε диэлектрического материала для данного напряжения.

Рассмотрим механизм образования заряда QК на электродах конденсатора с диэлектриком и из каких составляющих складывается этот заряд. Для этого возьмем два плоских конденсатора одинаковых геометрических размеров: один - с вакуумом, другой - с межэлектродным пространством, заполненным диэлектриком, и подадим на них одинаковое электрическое напряжение U (рис. 1). На электродах первого конденсатора образуется заряд Q0 , на электродах второго - QК . В свою очередь, заряд QК является суммой зарядов Q0 и Q (3):

Заряд Q 0 образован внешним полем Е0 путем накопления на электродах конденсатора сторонних зарядов с поверхностной плотностью σ 0 . Q - это дополнительный заряд на электродах конденсатора, создаваемый источником электрического напряжения для компенсации связанных зарядов, образовавшихся на поверхности диэлектрика.

В равномерно поляризованном диэлектрике заряд Q соответствует величине поверхностной плотности связанных зарядов σ. Заряд σ образует поле Е сз, направленное противоположно полю Е О.

Диэлектрическую проницаемость рассматриваемого диэлектрика можно представить как отношение заряда QК конденсатора, заполненного диэлектриком, к заряду Q0 такого же конденсатора с вакуумом (3):

Из формулы (3) следует, что диэлектрическая проницаемость ε - величина безразмерная, и у любого диэлектрика она больше единицы; в случае вакуума ε = 1. Из рассмотренного примера также

видно, что плотность заряда на электродах конденсатора с диэлектриком в ε раз больше плотности заряда на электродах конденсатора с вакуумом, а напряженности при одинаковых напряжениях для обо

их конденсаторов одинаковы и зависят только от величины напряжения U и расстояния между электродами (Е = U /h).

Кроме относительной диэлектрической проницаемости ε различают абсолютную диэлектрическую проницаемость ε а , Ф/м, (4)

которая не имеет физического смысла и используется в электротехнике.

Относительное изменение диэлектрической проницаемости εr при повышении температуры на 1 К называется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости.

ТКε = 1/ εr d εr/dT К-1 Для воздуха при 20°С ТК εr = -2.10-6К-

Электрическое старение в сегнетоэлектриках выражается в уменьшении εr со временем. Причиной является перегруппировка доменов.

Особенно резкое изменение диэлектрической проницаемости со временем наблюдается при температурах, близких к точке Кюри. Нагревание сегнетоэлектриков до температуры более точки Кюри и последующее охлаждение возвращает εr к прежнему значению. Такое же восстановление диэлектрической проницаемости можно осуществить, воздействуя на сегнетоэлектрик электрическим полем повышенной напряженности.

Для сложных диэлектриков – механической смеси двух компонентов с разным εr в первом приближении: εrх = θ1 · εr1х ·θ· εr2х,где θ – обьемная концентрация компонентов смеси, εr - относительная диэлектрическая проницаемость компонента смеси.

Поляризация диэлектрика может быть вызвана: механическими нагрузками (пьезополяризация в пьезоэлектриках); нагревом (пирополяризация в пироэлектриках); светом (фотополяризация).

Поляризованное состояние диэлектрика в электрическом поле Е характеризуется электрическим моментом единицы объема, поляризованностью Р, Кл/м2, которая связана с его относительной диэлектрической проницаемостью eг: Р = e0 (eг - 1)Е, где e0 = 8,85∙10-12 Ф/м. Произведение e0∙eг =e, Ф/м, называют абсолютной диэлектрической проницаемостью. В газообразных диэлектриках eг мало отличается от 1,0, в неполярных жидких и твердых достигает 1,5 - 3,0, в полярных имеет большие значения; в ионных кристаллах eг - 5-МО, а в имеющих перовскитовую кристаллическую решетку достигает 200; в сегнетоэлектриках eг - 103 и больше.

В неполярных диэлектриках с ростом температуры eг незначительно уменьшается, в полярных изменения связаны с преобладанием того или иного вида поляризации, в ионных кристаллах увеличивается, в некоторых сегнетоэлектриках при температуре Кюри достигает 104 и больше. Температурные изменения eг характеризуют температурным коэффициентом. Для полярных диэлектриков характерным является уменьшение eг в области частот, где время т на поляризацию соизмеримо с Т/2.

Похожая информация.