Virtualni laboratorijski rad broj 3

Fizika čvrstog tijela

Metodičke smjernice za provođenje laboratorijskog rada br. 3 pod odjelom fizike "Čvrsto tijelo" za studente tehničkih specijaliteta svih oblika obuke

Krasnoyarsk 2012.

Recenzent

Kandidat za fizičke i matematičke nauke, vanredni profesor O.N. Bandina

(Sibirski državni aerospace univerzitet

ime akademik M.F. Reshetnyova)

Odštampano Odlukom IKT metodološke komisije

Određivanje dielektrične propusnosti poluvodiča. Virtualni laboratorijski rad broj 3 u čvrstoj fizici: Metodička uputstva za provedbu laboratorijskih radova br. 3 pod dijelom "čvrstog tijela" fizike za studente Tehn. Specijalist. Svi oblici učenja / troškova: A.M. Kharkov; Sib. Stanje Aerocosmich. Un-t. - Krasnojarsk, 2012. - 21 s.

Aerospace sibirske države

univerzitet nazvan po akademiku M.F. Reshannyeva, 2012.

UVOD .................................................. ... ...................................... ... 4

Ulaz na laboratorijski rad .............................................. .............. ... 4

Registracija laboratorijskog rada na zaštitu .......................................... .. . 4

Određivanje dielektrične propusnosti poluvodiča ............ ........ 5

Teorija metode ............................................. ................................. ...... 5

Metoda mjerenja dielektrične konstante ..................... .. ...... ..11

Rezultati mjerenja obrade ............................................... ... ........ 16

Kontrolna pitanja ................................................ ... .................................... 17

Test ................................................. .................................................. ... ......... 17

Lista referenci ............................................... ... ............................ 20

Dodatak ................................................. ................................... 21.

Uvođenje

Ove smjernice sadrže opise za laboratorijski rad, u kojima se virtualni modeli koriste sa kursa za fiziku kursa.

Ulaz na laboratorijski rad:

Provodi ga učitelj u grupama sa ličnim istraživanjem svakog učenika. Za toleranciju:

1) svaki student preliminarno izvršava svoj lični sažetak ovog laboratorijskog rada;

2) nastavnik pojedinačno provjerava dizajn apstraktnog i postavlja pitanja o teoriji, mjernim metodama, ugradnjom i obradi rezultata;

3) student odgovara na postavljena pitanja;

4) Učitelj priznaje da učenika radi i stavlja svoj potpis u sažetak učenika.

Registracija laboratorijskog rada na zaštitu:

Potpuno uređen i zaštitni rad mora biti u skladu sa sljedećim zahtjevima:

Izvođenje svih stavki: Sva proračuna potrebnih vrijednosti ispunjena su tintom Sve tablice, sav grafikoni su izgrađeni itd.

Grafikoni moraju zadovoljiti sve zahtjeve učitelja.

Za sve vrijednosti u tablicama treba snimiti odgovarajuću mjernu mjernu mjernu vrijednost.

Zaključci se bilježe za svaku grafiku.

Odgovor o odlaganju na propisani obrazac.

Zaključci se bilježe.

Određivanje dielektrične propuštenosti poluvodiča

Teorija metode

Polarizacija - Ovo je sposobnost dielektrike pod djelovanjem električnog polja da polarizira, i.e. Promijenite lokaciju pridruženih nabijenih čestica dielektrične.

Najvažnija imovina dielektrike je njihova sposobnost električne polarizacije, I.E. Pod utjecajem električnog polja se pojavljuje usmjeravanje nabijenih čestica ili molekula na ograničenoj udaljenosti. Pod električnim poljem, optužbe se pomaknu, kako u polarnim i ne-polarnim molekulama.

Postoji više od desetaka različitih vrsta polarizacije. Razmotrite neke od njih:

1. Elektronska polarizacija - Ovo je raseljenje elektronskih orbita u odnosu na pozitivno nabijen kernel. Javlja se u svim atomima bilo koje supstance, I.E. U svim dielektrici. Elektronska polarizacija postavljena je za 10 -15 -10 -14 s.

2. ION polarizacija - Premještanje u odnosu na međusobno drugačije napunjene jone u tvarima sa jonskim vezama. Vrijeme njenog osnivanja je 10 -13 -10 -12 str. Elektronska i jonska polarizacija odnose se na broj trenutnih ili deformacijskih vrsta polarizacije.

3. Dipol ili orijentaciona polarizacija Zbog orijentacije dipola prema električnom polju. Polarna dielektrika imaju dipolne polarizaciju. Vrijeme njenog osnivanja je 10 -10 -10 -6 s. Polarizacija dipola odnosi se na broj sporo ili opuštajućih vrsta polarizacije.

4. Polarizacija migracije Primjećuje se u nehomogenim dielektrikom, u kojim se električnim nabojem nakupljaju na granici nepravilnosti. Procesi uspostavljanja migracijskih polarizacije vrlo su spori i mogu se pojaviti za nekoliko minuta, pa čak i sati.

5. Polarizacija ion-opuštanja Određuje se prekomjernim premještanjem slabo povezanih jona pod djelovanjem električnog polja na udaljenosti većim rešetkom. Polarizacija ion-opuštanja manifestuje se u nekim kristalnim tvarima u prisustvu nečistoća u njima kao ioni ili labave ambalaže kristalne rešetke. Vrijeme njenog osnivanja je 10 -8 -10 -4 s.

6. Polarizacija elektroničke opuštanja Javlja se zbog uzbuđene toplotne energije pretjeranih "neispravnih" elektrona ili "rupa". Ova vrsta polarizacije u pravilu uzrokuje visok značenje dielektrične konstante.

7. Spontana polarizacija- Spontana polarizacija nastala u nekim tvarima (na primjer, feronetička sol) u određenom području temperature.

8. Polarizacija elastične dipole Vezan za elastičan zavoj dipola u male uglove.

9. Preostala polarizacija - polarizacija, koja ostaje u nekim tvarima (električno) već duže vrijeme nakon uklanjanja električnog polja.

10. Resonantna polarizacija. Ako je frekvencija električnog polja blizu vlastite frekvencije dipolnih oscilacija, tada se mogu povećati oscilacija molekula, što će dovesti do pojave rezonantne polarizacije u dipolskom dielektričnoj. Polarizacija rezonancije primijećena je na frekvencijama infracrvenog svjetla. Pravi dielektrik može istovremeno imati nekoliko polarijskih vrsta. Pojava ove ili ta vrsta polarizacije određuje se fizikalnohemijskim svojstvima tvari i rasponu korištenih frekvencija.

Glavna podešavanja:

Ε - Dielektrična konstanta - mjera sposobnosti materijala za polarizaciju; Ovo je vrijednost koja pokazuje koliko je puta moć interakcije električnih troškova u ovom materijalu manja u odnosu na vakuum. Unutar dielektrike, polje se čini suprotno.

Intenzitet vanjskog polja slabi se u odnosu na polje istih troškova u vakuu u ε Times, gdje je ε relativna dielektrična konstanta.

Ako vakuum između predstave kondenzatora zamjenjuje dielektrični, zatim kao rezultat polarizacije, kontejner se povećava. To se temelji na jednostavnoj definiciji dielektrične konstante:

gdje je c 0 kapacitet kondenzatora, između čiji su plodovi vakuum.

C D - Kapacitet istog kondenzatora sa dielektrikom.

Dielektrična propusnost ε Izotropni medij određen je omjerom:

(2)

gdje je χ dielektrična osjetljivost.

D \u003d TG Δ - tangentni ugao dielektričnih gubitaka

Dielektrični gubici -gubitak električne energije uzrokovan protokom struja u dielektrici. Postoje struje provodljivosti I SC.PR, uzrokovane prisutnošću u dielektrici male količine pluća i polarizacijskih struja. Na elektroničkoj i jonskoj polarizaciji, polarizacija struja se naziva strujom pomeranja I CM, vrlo je kratkoročan i nije registriran kod instrumenata. Struje povezane s sporim (opuštanjima) Polarizacijske vrste nazivaju se u apsorpcijskim strujama i ABS. U općem predmetu ukupna struja u dielektriku definirana je kao: i \u003d i abs + i sc.pr. Nakon uspostavljanja polarizacije, ukupna struja bit će jednaka: i \u003d i sc.pr. Ako se pojave polarizacijske struje u konstantnom polju u vrijeme uključivanja i isključivanja, a ukupna struja se određuje u skladu s jednadžbom: i \u003d i sc.pr, zatim u naizmeničnom polju u to vrijeme pojavljuju se polarizacijske struje promjene polariteta napona. Kao rezultat toga, gubitak dielektrike u varijabilnom polju može biti značajan, posebno ako se polumjerna napona približava vremenu polarizacije.

Na slici. 1 (a) Shema je prikazana ekvivalentnom kondenzatoru sa dielektrikom koja se nalazi u krugu varijabilnog napona. U ovoj shemi kondenzator sa stvarnim dielektrikom, koji ima gubitke, zamijenjen je idealnim kondenzatorom C s paralelno s aktiviranim otporom R. na slici. 1 (b) vektorski krug struje i naprezanja za krug koji se razmatra, gdje ste napon u lancu; I AK - Aktivna struja; I P - reaktivna struja, koja je ispred faze aktivne komponente 90 °; I Σ - ukupna struja. Istovremeno: i a \u003d i r \u003d u / r i i p \u003d i c \u003d ωcu, gdje je ω kružna frekvencija varijabilnog polja.

Sl. 1. (a) - shema; (b) - vektorski dijagram struja i napona

Kut dielektričnih gubitaka naziva se ugao Δ, nadopunjujući do 90 ° jezični ugao faznog pomicanja između struje I Σ i napona u kapacitivnom lancu. Dielektrični gubici u varijabilnom polju karakteriziraju tangenta dielektričnog ugla gubitaka: TG Δ \u003d i a / i r.

Granice tangentnog ugla dielektričnih gubitaka za dielektriku visokofrekventne dielektrike ne smiju prelaziti (0,0001 - 0,0004), te za nisku frekvenciju - (0,01 - 0,02).

Ovisnosti ε i TG Δ na temperaturi T i frekvenciji ω

Dielektrični parametri materijala su različite stupnjeve ovise o temperaturi i frekvenciji. Veliki broj dielektričnih materijala ne omogućava pokriti osobine svih ovisnosti o tim faktorima.

Stoga na slici. 2 (a, b) prikazuje opće trendove karakteristične za neke velike grupe. Tipične ovise o dielektričnoj konstanci ε na temperaturi t (a) i na frekvenciji ω (b) daju se.

Sl. 2. Ovisnost frekvencije važećih (ε ') i imaginarnih (ε ") dijelova dielektrične konstante u prisustvu orijentacijskog mehanizma za opuštanje

Složena dielektrična konstanta.U prisustvu procesa opuštanja, dielektrična konstanta povoljno je zabilježena u sveobuhvatnom obliku. Ako je ojačanje fer za formulu:

(3)

gDJE, τ je vrijeme za opuštanje, α 0 - Polarizacija statističke orijentacije. Da, vjerujući u lokalno polje jednaka vanjskoj, dobivamo (u SGS):

Grafikoni ovisnosti μ'and ε "iz proizvoda ωτ prikazuju se na slici. 2. Imajte na umu da se smanjenje ε "(važeće deo ε) odvija u blizini maksimum ε" (imaginarni dio ε).

Takva promjena u'and ε "s frekvencijom služi kao čest primjer općenitijeg rezultata, prema kojem ε '(ω) iz frekvencije također uključuje ovisnost ε" (ω) iz frekvencije. U sistemu C treba zamijeniti 4π po 1 / ε 0.

Pod djelovanjem primijenjenog polja molekule u ne-polarnom dielektričnoj polarizira, postajući dipola sa induciranim dipolnim momentom μ iProporcionalna čvrstoć na polju:

(5)

U polarnom dielektriku, dipolni trenutak polarne molekule μ u općem slučaju jednak je vektorskoj zbroju vlastitih μ 0 i indukovan μ itrenuci:

(6)

Intenzitet polja stvorenog ovim dipolama proporcionalan je dipolnom trenutku i obrnuto proporcionalno kocki trajanju.

Za ne-polarne materijale obično ε \u003d 2 - 2.5 i ne ovisi o frekvenciji do ω ≈10 12 Hz. Zavisnost ε Temperatura je zbog činjenice da tokom njegove promjene, linearne dimenzije krutosti i količine tečnih i gasovitih dielektrika mijenjaju, što mijenja broj N molekula po jedinici zapremine

i udaljenosti između njih. Korištenje poznate teorije omjera dielektričnoj teoriji F \u003d n \\μ ii F \u003d.ε 0 (ε - 1) E,gde F.- Polarizirani materijal, za ne-polarne dielektrike imamo:

(7)

Sa E \u003d Const takođe μ i \u003d Const i temperaturna promjena ε je do posljedica samo promjene u n, koja je linearna funkcija temperature θ, ovisnosti ε \u003d ε (θ) je također linearna. Za polarne dielektrike, analitičke ovisnosti nisu, a obično koriste empirijsku.

1) Uz povećanje temperature, jačinu dielektričnog povećanja i dielektrična konstanta blago opada. Posebno uočljivi pad ε u razdoblju zameranjem i topljenje ne-polarnog dielektrike, kada se njihov volumen značajno povećava. Zbog velike frekvencije elektrona u orbiti (oko 10 15 -10 16 Hz), vrijeme uspostavljanja ravnoteže stanja elektrona vrlo je mala i propusnost ε ne-polarnog dielektrike ne ovisi o učestalosti polje u zajedničkoj frekvencijskoj frekvenciji (do 10 12 Hz).

2) Kada se temperatura poveća, odnosi između pojedinih jona koji olakšava njihovu interakciju pod djelovanjem vanjskog polja i dovodi do povećanja ionske polarizacije i dielektrične konstante ε. Zbog malosti vremena uspostavljanja stanja ionske polarizacije (oko 10 Hz odgovara vlastitim oscilacijskim učestalošću jona u kristalnoj rešetki) promjena u frekvenciji vanjskog polja u konvencionalnim radnim rasponima praktično se ne odražava by ε u ionom materijalu.

3) Dielektrična propusnost polarne dielektrike snažno ovisi o temperaturi i frekvenciji vanjskog polja. S povećanjem temperature, povećava se mobilnost čestica i energija interakcije između njih je smanjena, I.E. Omogućena je njihova orijentacija prema akciji vanjskog polja - povećava se polarizacija dipola i dielektrična konstanta. Međutim, ovaj se proces nastavlja samo na određenu temperaturu. Uz daljnje povećanje temperature, propusnost ε opada. Budući da se orijentacija dipola u smjeru polja vrši u procesu toplotnog kretanja i pomoću topline pokreta, uspostavljanje polarizacije zahtijeva veliko vrijeme. Ovo je vrijeme tako veliko da u varijabilnim poljima visokofrekventnih dipola nemaju vremena za navigaciju po terenu, a propusnost ε pada.

Dielektrična metoda mjerenja propusnosti

Kanacitorski kondenzator. Kondenzator - Ovo je sistem dva provodnika (tanjira) odvojenih dielektrikom čija se debljina uspoređuje u odnosu na linearne dimenzije. Na primjer, dvije ravne metalne ploče koje se nalaze paralelno i odvojeno slojem dielektričnog oblika kondenzatora (Sl. 3).

Ako ploče ravnog kondenzatora informišu jednake jedinicama suprotnog znaka, snage električnog polja između tanjira bit će dvostruko veće od čvrstoće polja u jednoj ploči:

(8)

gde je ε dielektrična propusnost dielektričnog punjenja prostora između tanjira.

Fizička količina određena omjerom tUŽILAC WHITING - PITANJE: Jedna od tanjira kondenzatora na potencijalnu razliku Δφ između ploča kondenzatora naziva se kondenzator električnog kapaciteta:

(9)

Jedinica kruga SI - Farad(F). Kapacitet od 1 F posjeduje takav kondenzator, potencijalnu razliku između ploča od kojih je 1 V kada izvještava o pločima više lančanih troškova od 1 CL: 1 φ \u003d 1 CL / 1 V.

Kapacitet ravnog kondenzatora. Formula za izračunavanje električnog kapaciteta ravnog kondenzatora može se dobiti izrazom (8). U stvari, terenska snaga: E. \u003d φ / εε 0 \u003d q / εε 0 S.gde S. - Područje ploče. Budući da je polje homogeno, potencijalna razlika između tanjira kondenzatora jednaka je: φ 1 - φ 2 \u003d Ed. = qD./εε 0 S.gde d. - udaljenost između tanjira. Zamjena u formuli (9), dobivamo izraz za električni kapacitet ravnog kondenzatora:

(10)

gde ε 0 - dielektrična propusnost zraka; S. - područje kondenzatora, S \u003d HL.gde h. - Širina tanjira, l. - njegova dužina; d. - Udaljenost između tanjira kondenzatora.

Izraz (10) pokazuje da električni kapacitet kondenzatora može se povećati povećanjem područja S.njegove ploče, smanjenje udaljenosti d. Između njih i upotrebe dielektrike s velikim vrijednostima dielektrične konstante ε.

Sl. 3. Kondenzator s dielektrikom smješten u njemu

Ako postoji dielektrična ploča između tanjira kondenzatora, kapaciteta kapaciteta će se promijeniti. Treba razmotriti lokaciju dielektrične ploče između kondenzatorskih ploča.

Označite: d. B - debljina intervencije zraka, d. M - debljina dielektrične ploče, l. B - dužina zračnog dijela kondenzatora, l. M je dužina kondenzatorskog dijela ispunjenog dielektrikom, ε M je dielektrična propusnost materijala. Ako to smatrate l \u003d L. u +. L. M, A. d. = d. u +. d. m, tada se ove opcije mogu pregledati za slučajeve:

Kada l. B \u003d 0, d. B \u003d 0 Imamo kondenzator sa solidnim dielektrikom:

(11)

Iz jednadžbi klasične makroskopske elektrodinamike na bazi Maxwell jednadžbe, slijedi da prilikom postavljanja dielektrične varijable u polje varira, u skladu s harmoničnim zakonom s frekvencijom ω, tenzor složenih dielektričnih konstanta stječe obrazac:

(12)

gdje je σ optička provodljivost supstanci, ε'is dielektrična konstanta supstance povezana s polarizacijom dielektrika. Izraz (12) može se dovesti do sljedećeg obrasca:

tamo gdje je zamišljeni izraz odgovoran za dielektrične gubitke.

U praksi se mjeri C - kapacitet uzorka koji ima oblik ravnog kondenzatora. Ovaj kondenzator karakteriše tangenta uglova dielektričnih gubitaka:

tGΔ \u003d ωcr c (14)

ili kvaliteta:

Q C \u003d 1 / TGΔ (15)

gdje je r c otpor, ovisno, uglavnom iz dielektričnih gubitaka. Za mjerenje ovih karakteristika, postoji niz metoda: razne metode mosta, mjerenja s transformacijom izmjerenog parametra u vremenskom intervalu itd. .

Pri mjerenju tenk C i tangenta, ugao dielektričnog gubitaka D \u003d TGδ u ovom radu koristi se tehnikom razvijenom od strane dobrih instrumenata s doo Mjerenja su izvršena na preciznoj izmjenir preciznom brojilu - LCR-819-RLC. Instrument vam omogućuje mjerenje spremnika u okviru 20 PF-2.083 MF, tangenta ugao gubitka u rasponu od 0,0001-9999 i nahrani polje offset. Interni pomak na 2 V, vanjska pomak na 30 V. Točnost mjerenja je 0,05%. Ispitna frekvencija signala 12 Hz -100 kHz.

U ovoj operaciji mjerenja su izvršena na frekvenciji od 1 kHz u temperaturnom rasponu 77 do< 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 .

Da bi se dobila temperaturna ovisnost, uzorkoj ćeliji se nalazi u protoku rashladnog sredstva (azot) prolazi kroz izmjenjivač topline, čija je temperatura koju daje grijač. Temperatura grijača kontrolira termostat. Povratne informacije od temperaturnog brojila na termostatu omogućava vam postavljanje brzine mjerenja temperature ili za stabilizaciju. Termoelement se koristi za kontrolu temperature. U ovoj operaciji temperatura se razlikuje brzinom od 1 deg / min. Navedena metoda omogućava mjerenje temperature s greškom od 0,1 stupnjeva.

Mjerna ćelija sa uzorkom pričvršćena na njemu postavlja se u protok kriostat. Spajanje ćelije sa LCR metru vrši se zaštićenim žicama kroz konektor u kapki kriostata. Cryostat se nalazi između elektromagnetnih stupova PL-1. Napajanje magneta omogućava vam da dobijete magnetna polja do 15 koe. Za mjerenje veličine magnetske poljske snage, koristi se senzor za toplotni stabilizirani sala sa elektroničkom jedinicom. Za stabilizaciju magnetskog polja između napajanja i mjerač magnetskog polja, postoji povratna informacija.

Izmjerene vrijednosti rezervoara C i tangenta gubitka gubitaka D \u003d TG Δ povezane su s vrijednostima željenih fizičkih količina εand ε "na sljedeće omjere:

(16)

(17)

№	C (PF)	Re (ε ')	T (° K)	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

Tabela broj 1. GD X MN 1-X S, (X \u003d 0,1).

Dielektrična konstanta dielektrična konstanta

vrijednost ε, što ukazuje koliko puta je snaga interakcije dvije električne troškove u mediju manja u odnosu na vakuum. U izotropnom mediju ε je povezan sa dielektričnom podlogom χ prema odnosu: ε \u003d 1 + 4π χ. Dielektrični konstantni anizotropski medij - tenzor. Dielektrična konstanta ovisi o frekvenciji polja; Na jakim električnim poljima, dielektrična konstanta počinje ovisiti o čvrstoći polja.

Dielektrična konstanta

Dielektrična propusnost, bez dimenzijanske vrijednosti E, pokazuje koliko puta je snaga interakcije f između električnih troškova u ovom mediju manju od snage interakcije F o u vakuumu:
e \u003d f o / f.
Dielektrična konstanta prikazuje koliko je puta polje oslabljeno dielektrikom (cm. Dielektrika), Kvantitativno karakterizirajući vlasništvo dielektričnog za polariziranje u električnom polju.
Vrijednost relativne dielektrične propusnosti tvari koje karakterizira stupanj polariziranosti određuje se mehanizmima polarizacije (cm. Polarizacija). Međutim, vrijednost u velikoj mjeri ovisi o agregatnom stanju tvari, jer prijelazi iz jedne države na drugu značajno mijenja gustoću tvari, njegove viskoznosti i izotropiju (cm. Isotropy).
Dielektrična propusnost gasova
Gasoviti tvari karakteriziraju vrlo niske gustoće zbog velikih udaljenosti između molekula. Zbog toga je polarizacija svih gasova beznačajna, a dielektrična konstanta je blizu jedan. Polarizacija plina može biti čisto elektronička ili dipola ako su molekuli plina polarni, međutim, elektronska polarizacija ima glavnu vrijednost. Polarizacija različitih plinova je veća, veća je radijus molekula plina, a numerički je blizu kvadrata refrakcijskog indeksa za ovaj plin.
Zavisnost plina na temperaturi i pritisku određena je brojem molekula u jedinici zapremine plina, što je proporcionalno pritisku i obrnuto proporcionalno apsolutne temperature.
U zraku u normalnim uvjetima, E \u003d 1.0006, a njegov temperaturni koeficijent je oko 2. 10 -6 do -1.
Dielektrična propusnost tečnog dielektrika
Tečni dielektrici se može sastojati od ne-polarnih ili polarnih molekula. Vrijednost e ne-polarnih tečnosti određena je elektronskim polarizacijom, tako da je mala, blizu vrijednosti kvadrata refrakcije svjetlosti i obično ne prelazi 2,5. Zavisnost i ne-polarnu tekućinu na temperaturi povezana je s padom broja molekula po jedinici zapremine, tj. S padom gustoće, a njegov temperaturni koeficijent je u blizini temperaturnog koeficijenta ekspanzije tekućine, ali se razlikuje znak.
Polarizacija tečnosti koja sadrže dipolne molekule određuju se istovremeno elektroničke komponente elektroničke i dipole-opuštanja. Takve tečnosti imaju veću dielektričnu konstantu, veća je vrijednost električnog trenutka dipola (cm. Dipol) i veći broj molekula po jedinici zapremine. Temperaturna ovisnost u slučaju polarnih tečnosti je složena.
Dielektrična propusnost čvrstih dielektrika
U krutima mogu preuzeti različite brojčane vrijednosti u skladu s raznolikošću strukturnih karakteristika čvrstog dielektričnog dielektrika. Sve vrste polarizacija moguća su u čvrstom dielektrici.
Najmanja vrijednost e ima solidne dielektrike koji se sastoji od ne-polarnih molekula i posjeduje samo polarizaciju elektrona.
Čvrsti dielektrika, koji su jonski kristali s gustom pakiranjem čestica, imaju elektroničke i jonske polarizacije i imaju e vrijednosti koje leže u širokom rasponu (e conunda - 10; e rutila - 110; e kalcijum Titanat - 150).
e razne anorganske naočale koje se približavaju strukturi do amorfna dielektrika leži u relativno uskim granicama od 4 do 20.
Polar organski dielektrika imaju u čvrstoj radnoj polarizaciji dipolnih opuštanja. E od ovih materijala u velikoj mjeri ovisi o temperaturi i frekvenciji primijenjenog napona, pridržavajući se istim uzorcima kao dipole tekućine.

Enciklopedski rječnik. 2009 .

Gledajte šta je "dielektrična konstanta" u drugim rječnicima:

Vrijednost e, koja prikazuje koliko puta je snaga interakcije dvije električne troškove u mediju manja u odnosu na vakuum. U izotropnom mediju E povezan je s dielektričnom osjetljivošću s odnosom: E \u003d 1 + 4pc. Dielektrična konstanta ... ... Veliki enciklopedski rječnik

Vrijednost e karakterizacije polarizacije dielektrike pod djelovanjem električne energije. Polja E. D. P. Ulazi u Coulob Zakona kao vrijednost koja pokazuje koliko puta je jačina dva besplatna optužnica u dielektrici manja nego u vakuumu. Slabljenje q ... ... Fizička enciklopedija

Dielektrična propusnost, vrijednost E, što ukazuje koliko puta je jačina interakcije dvije električne troškove u mediju manja u odnosu na vakuum. Vrijednost E varira široko: vodonik 1.00026, transformatorsko ulje 2.24, ... ... Moderna enciklopedija

- (e) Oznaka, u fizici Jedno od svojstava različitih materijala (vidi dielektrični). Izražava se stavom gustoće električne protoka u srednjoj snazi \u200b\u200bna snagu električnog polja, što ga uzrokuje. Dielektrična proricanje vakuuma ... ... Naučni i tehnički enciklopedijski rječnik

dielektrična konstanta - Vrijednost koja karakterizira dielektrična svojstva supstanci skalariju za izotropnu supstancu i tenzor za anizotropnu supstancu, od kojih je proizvod u električnoj čvrstoći polja jednak pomak električnom polju. [Gost R 52002 2003] ... ... Katalog tehničkih prevoditelja

Dielektrična konstanta - Dielektrična konstanta, vrijednost e, što pokazuje koliko puta je jačina interakcije dva električna naboja u srednjem nego u vakuumu. Vrijednost E varira široko: vodonik 1.00026, transformatorsko ulje 2.24, ... ... Ilustrirani enciklopedski rječnik

Dielektrična konstanta - Vrijednost koja karakterizira dielektrična svojstva supstanci skalariju za izotropnu supstancu i tenzor za anizotropnu supstancu, proizvod u kojem se napetost električnog polja jednak kreira u pogonu ... izvor: ... ... Zvanična terminologija

dielektrična konstanta - apsolutna dielektrična konstanta; Podružnica. Dielektrična konstanta je skalarna vrijednost koja karakterizira električna svojstva dielektrike jednaka omjeru veličine električnog pomaka na veličinu električnog čvrstoće polja ... Politehnički terminološki rječnik

Apsolutna dielektrična propusnost relativna dielektrična propusnost dielektrična vakuum ... Wikipedia

dielektrična konstanta - Dielektrinė Skvarba States t Sritis Chemija Apiztis Elektrinio Srauto Tankie Tiriamojoje Medžiagoje Ir Elektrinio Lauko Stiploi Santykis. ATITIKMENYS: Angl. Dielektrična konstanta; Dielektrična dozvola; Permitska rusija. Dielektrični ... ... Chemijos Terminų aiškinamasis Žodynas

Knjige

• Svojstva materijala. Anisotropy, simetrija, struktura. Po. sa engleskog , Newnham r.e. .. Ova knjiga posvećena je anizotropiji i odnosu strukture materijala sa svojim svojstvima. Pokriva opsežnu ponudu tema i vrsta je uvodnog tečaja na pihysics nekretnine ...

Svaka supstanca ili tijelo koje okružuje nas ima određena električna svojstva. To se objašnjava molekularna i nuklearna struktura: prisustvo nabijenih čestica koje se nalaze u međusobno povezanoj ili slobodnoj državi.

Kada na supstanci ne djeluje vanjsko električno polje, tada se ove čestice distribuiraju tako da se baliraju jedna drugoj i ne stvaraju dodatni električni polje u ukupnoj jačini. U slučaju primjene iz vanjske strane električne energije unutar molekula i atoma, nastaje redistribucija optužbi što dovodi do stvaranja vlastitog unutarnjeg električnog polja, usmjerene na vanjsku.

Ako se vektor primijenjenog vanjskog polja odredi "E0", a unutarnji - "e" ", tada će puni polje" E "sklopiti iz energije ove dvije vrijednosti.

U struju, uobičajeno je podijeliti tvar na:

provodnici;

dielektrika.

Takva klasifikacija postoji duga, iako je prilično uvjetna jer mnoga tijela imaju druge ili kombinirane svojstva.

Uvjeti

U ulozi provodnika nalaze se okruženja koja imaju besplatne optužbe. Najčešće su vodiči metali, jer u njihovoj strukturi postoje slobodni elektroni koji su u njihovoj strukturi koji su sposobni da se kreću u cijelom obimu supstancije i istovremeno su sudionici u termičkim procesima.

Kada se dirigent izolira iz djelovanja vanjskih električnih polja, stvara ravnotežu pozitivnih i negativnih troškova iz ionskih rešetki i besplatnih elektrona. Ova ravnoteža odmah se uništava na uvodu - zbog energije koja počinje preraspodjela naplaćenih čestica i neuravnotežene optužbe za pozitivne i negativne vrijednosti na vanjskoj površini pojavljuju se.

Ovaj fenomen se zove zvan elektrostatička indukcija. Nazivaju se optužbe koje su nastale tokom površine metala indukcijske troškove.

Obrazovani indukcijski troškovi formirani u dirigentima čine vlastiti polje E ", kompenzaciju efekta vanjskog E0 unutar dirigenta. Stoga se vrijednost cjelovitog, ukupnog elektrostatičkog polja nadoknađuje i jednak 0. istovremeno, poeni svih, potencijalima svih ukazuje i unutar i izvan njega isto.

Rezultirajući izlaz označava da unutar vodiča, čak i sa spojenim vanjskom poljem ne postoji potencijalna razlika i bez elektrostatičkih polja. Ova se činjenica koristi u zaštiti - primjenjujući metodu elektrostatičke zaštite ljudi i osjetljivi na induciranu polje električne opreme, posebno visoko preciznih mjernih instrumenata i mikroprocesorske opreme.

Zaštićena odjeća i obuća od tkiva s provodljivim nitima, uključujući pokrivalo za glavu, koristi se u energiji za zaštitu osoblja koje rade u uvjetima velike napetosti stvorene visokonaponskim opremom.

Dielektrika

Takozvane supstance sa izolacijskom svojstvima. Oni su u svom sastavu samo povezani, a ne besplatni troškovi. Sve su pozitivne i negativne čestice pričvršćene unutar neutralnog atoma, lišeni su slobode kretanja. Distribuiraju se unutar dielektrike i ne kreću se pod djelovanjem primijenjenog vanjskog polja E0.

Međutim, njegova energija i dalje uzrokuje određene promjene u strukturi tvari - unutar atoma i molekula, omjer pozitivnih i negativnih čestica mijenjaju se, a na površini supstance postoje nepotrebne, neuravnotežene pridružene troškove koji čine interni električni polje e ". Posla se na napetost koja se primjenjuje izvana.

Ovaj fenomen je dobio ime polarizacija dielektrične. Karakterizira ga činjenica da se električno polje e očituje unutar tvari, formiranim efektom vanjske energije E0, ali oslabljena suzbijanjem unutrašnje e ".

Vrsta polarizacije

To je unutar dielektrike dvije vrste:

1. Orijentacija;

2. Elektronsko.

Prva vrsta ima dodatno ime polarizacije dipola. To je svojstveno dielektričnosti s raseljenim centrima u negativnim i pozitivnim nabojima, koji formiraju molekule iz mikroskopskih dipola - neutralnog agregata od dvije optužbe. Ovo je karakteristično za vodu, azot dioksid, vodonik sulfid.

Bez akcije vanjskog električnog polja u takvim supstancama, molekularne dipole vode vođeni kaotičnim putem pod utjecajem postojećih temperaturnih procesa. Istovremeno, u bilo kojoj točki unutrašnjeg volumena i na vanjskoj površini dielektrike ne postoji električni naboj.

Ova se slika mijenja pod utjecajem energije primijenjenog izvana, kada dipole mijenjaju svoju orijentaciju lagano, a područja neuspehnih makroskopskih pridruženih troškova koji formiraju polje e "na površini pojavljuju se na površini.

Sa takvom polarizacijom temperatura uzrokuju toplotno kretanje i stvaranje dezorijentiranih faktora ima veliki utjecaj na procese.

Elektronska polarizacija, elastični mehanizam

Manifestuje se u ne-polarnom dielektriku - materijali druge vrste molekulama, lišenim dipolnim trenutkom, što se pod utjecajem vanjskog polja deformiše tako da su pozitivne troškove orijentirane na vektor E0, i negativne - u suprotnom smjeru.

Kao rezultat toga, svaki molekuli djeluje kao električni dipol, orijentisan duž osi primijenjenog polja. Na ovaj način stvaraju na vanjskoj površini svog polja e "sa šansom.

U takvim supstancama, deformacija molekula, a, prema tome, polarizacija iz izloženosti polja vani ne ovisi o njihovom pokretu pod utjecajem temperature. Kao primjer ne-polarnog dielektrika, možete citirati metane CH4.

Numerička vrijednost unutrašnjeg područja obje vrste dielektrične veličine prvo se razlikuje proporcionalno povećanju vanjskog polja, a zatim se pojavljuju učinci nelinearnog karaktera. Oni se javljaju kada su svi molekularni dipola postrojeni duž dalekovoda na polarnim dielektrikom ili su u strukturi ne-polarnog tvari, zbog snažne deformacije atoma i molekula iz visoko primijenjene energije.

U praksi se takvi slučajevi rijetko pojavljuju - obično postoji kvar ili poremećaj izolacije.

Dielektrična konstanta

Među izolacijskim materijalima važna uloga dodijeljena je električnim karakteristikama i takav pokazatelj kao dielektrična konstanta. Može se ocijeniti dvije različite karakteristike:

1. Apsolutna vrijednost;

2. Relativna veličina.

Izraz apsolutna dielektrična propusnost Tvari εa koristi kada se obratite matematičkim zapisnikom zakon Culona. U obliku koeficijenta εa veže vektor indukcije D i napetosti E.

Podsjetimo da je francuska fizičarka Charles de Pendon uz pomoć vlastitih visokotonatora istraživala obrasce električnih i magnetnih sila između malih nabijenih tijela.

Određivanje relativne dielektrične propusnosti medija koristi se za karakterizaciju izolacijske svojstva tvari. Procjenjuje omjer sile interakcije između dva boda u dva različita uvjeta: u vakuumu i radnom okruženju. Istovremeno, vakuumski pokazatelji prihvaćeni su u 1 (εv \u003d 1), a u stvarnim supstancama su uvijek viši, εr\u003e 1.

Numerički izraz εr prikazan je u vrijednosti bez dimenzije, objasnjeno poklarizacijskim učinkom u dielektrici, koristi se za procjenu njihovih karakteristika.

Dielektrične konstantne vrijednosti pojedinačnih okruženja (na sobnoj temperaturi)

Supstanca	ε	Supstanca	ε
Segnenetova sol.	6000	dijamant	5,7
Rutile (uz optičku osovinu)	170	Voda	81
Polietilen	2,3	Etanol	26,8
Silicijum	12,0	Mića	6
Staklo	5-16	Ugljen-dioksid	1,00099
Nacl	5,26	Vodni par	1,0126
Benzen	2,322	Zrak (760 mm Hg. Art.)	1,00057

Predavanje №19

1. Priroda električne provodljivosti gasovitog, tečnog i solidne dielektrike

Dielektrična konstanta

Relativna dielektrična konstanta ili dielektrična propusnost Ε.- Jedan od najvažnijih makroskopskih električnih parametara dielektrike. Dielektrična konstantaε Kvantitativno karakterizira sposobnost dielektrike da polariziraju u električnom polju, a također evaluira stupanj svoje polarnosti; ε To je konstanta dielektričnog materijala na datoj temperaturi i frekvenciji električnog napona i prikazuje koliko puta je naknada kondenzatora sa dielektrikom veći kondenzator na papiru s vakuumom.

Dielektrična konstanta određuje veličinu električnog kapaciteta proizvoda (kondenzator, izolacija kablova itd.). Za električni kapacitet ravnog kondenzatora Od,F, izražena formulom (1)

gde je površina mjerne elektrode, m 2; H - dielektrična debljina, m. Formula (1) Može se videti da je veća vrijednost ε Dielektrični korišteni, veći električni kapacitet kondenzatora s istim dimenzijama. Zauzvrat, električni kapacitet C je omjer proporcionalnosti između površinskog naboja QC,akumulirani kondenzator, a električni primijenjen na njega

sjajan U (2):

Od formule (2) slijedi taj električni naboj QC,akumuliran kondenzatorom proporcionalnom veličini ε Dielektrični. Znanje Qcigrametrijske dimenzije kondenzatora mogu se odrediti ε Dielektrični materijal za ovaj napon.

Razmotrite obrazovni mehanizam Qcna elektrodama kondenzatora sa dielektrikom i iz kojih se formiraju komponente koje naplaćuju. Da biste to učinili, uzmite dva ravna kondenzatora iste geometrijske dimenzije: jedan - sa vakuumom, drugi - sa međuelektrodnim prostorom napunjenom dielektrikom, a mi ćemo im dati isti napon U.(Sl. 1). Elektrode prvog kondenzatora čini naknadu Q0.na drugim elektrodama - Qc. Zauzvrat, naboj Qc je zbroj optužbi Q0.i TUŽILAC WHITING - PITANJE:(3):

Punjenje TUŽILAC WHITING - PITANJE:0 formira vanjski polje E0 nagomilavanjem elektroda kondenzatora treće strane optužbi za površinsku gustoću σ 0. TUŽILAC WHITING - PITANJE: - Ovo je dodatni naboj na kondenzatorima stvorenim izvorom električnog napona za nadoknadu pridruženih troškova formiranih na dielektričnoj površini.

U jednolično polariziranom dielektričnom naboju TUŽILAC WHITING - PITANJE:odgovara veličini površinske gustoće pridruženih naboja σ. Naknada Σ formira E NW polje, usmjereno suprotno telje E O.

Dielektrična propusnost dielektričnog razmatranja može se zastupati kao omjer naboja Qc Kondenzator ispunjen dielektrikom za punjenje Q0.isti kondenzator sa vakuumom (3):

Od formule (3) slijedi ta dielektrična konstanta ε - Vrijednost je bez dimenzija, a u bilo kojem dielektričnoj je više od jedne; U slučaju vakuuma ε \u003d 1. Od razmatranog primjera takođe

može se vidjeti da gustoća napunjenosti na elektrode kondenzatora s dielektrikom u ε puta više gustina optužnice na kondenzatorima sa vakuumom i napetosti s identičnim stresovima za otprilike

njihovi kondenzatori su isti i ovise samo o vrijednosti napona U.i udaljenosti između elektroda (E \u003d U / H).

Pored relativne dielektrične konstante ε razlikovati apsolutna dielektrična propusnost ε a, F / m, (4)

koji nema fizičko značenje i koristi se u elektrotehnici.

Relativna promjena u dielektričnoj konstanci εr s porastom temperature za 1 k naziva se temperaturni koeficijent dielektrične konstante.

TKΕ \u003d 1 / εr d εr / dt k-1 za zrak na 20 ° s εr \u003d -2.10-6k-

Električno starenje u feroelektrici izraženo je u smanjenju εr-a s vremenom. Razlog je pregrupiranje domena.

Posebno oštra promjena dielektrične propustljivosti s vremenom primijećena je na temperaturama blizu tačke Curie. Grijanje feroelektrike na temperaturu više od tačke Curie i naknadno hlađenje vraća εr na prethodnu vrijednost. Isti oporavak dielektrične konstante može se izvesti utjecati na feroelektrično električno polje povećane napetosti.

Za složene dielektrike - mehanička mješavina dvije komponente s različitim krugom u prvom približavanju: εrh \u003d θ1 · εr1x · · εr2x · θ · εr2x, gdje je θ je koncentracija glasnoće komponenti smjese, εr relativna dielektrična propusnost komponente mješavine.

Polarizacija dielektrike može biti uzrokovana: mehaničkim opterećenjima (piezo-olarizacija u piezoelektrici); Grijanje (piropolarizacija u piroelektrici); svjetlo (fotolarizacija).

Polarizirano stanje dielektrike u električnom polju E karakterizira električna točka jedinice jedinice zapremine, polaritet P, CL / M2, koja je povezana s relativnim dielektričnim konstantima, npr.: P \u003d E0 (npr. - 1) E, gdje je e0 \u003d 8,85 ∙ 10-12 / m. Proizvod E0 ∙ npr. \u003d E, f / m, naziva se apsolutnom dielektričnom konstantom. U gasovitim dielektrici, npr. Razlikuje se od 1,0, u ne-polarnim tekućim i čvrstim dosegama 1,5 - 3,0, postoje velike vrijednosti u polarnim vrijednostima; U jonskim kristalima, npr. - 5-MO, a u tome da imaju perovske kristalne rešetke dostiže 200; U segroelekticima, npr. - 103 i više.

U ne-polarnom dielektriku sa povećanjem temperatura, u polarnim promjenama povezane su s prevladavanjem određene vrste polarizacije, u jonskim kristalima se povećava, u nekim feroelektrici na temperaturi Curie doseže 104 i više. Promjene temperature karakteriziraju temperaturni koeficijent. Za Polar Dielectrics, smanjenje npr. U frekvencijskom rasponu je karakterističan, gdje je t do polarizacija proporcionalno t / 2.

Slične informacije.

Dielektrična propusnost, vrijednost ε, karakterizirala polarizaciju dielektrike pod djelovanjem električnog polja s naponom E. Dielektrična konstanta uključena je u Coulob of Zakona kao vrijednost koja ukazuje koliko puta je puta snage interakcije Dva besplatna naboja u dielektrici su manja nego u vakuumu. Slabljenje interakcije događa se zbog skrininga besplatnih troškova vezanih za polarizaciju srednjeg. Srodne troškove nastaju kao rezultat mikroskopske prostorne redistribucije troškova (elektrona, jona) u električno neutralnom okruženju.

Odnos vektora polarizacije P, napon električnog polja E i električna indukcija D U izotropnom mediju u sistemu SI jedinica ima oblik:

gde je ε 0 električna konstanta. Veličina dielektrične konstante ε ovisi o strukturi i hemijskom sastavu tvari, kao i na pritisku, temperaturi i drugim vanjskim uvjetima (tablica).

Za gasove, njegova veličina je blizu 1, za tečnost i solidna tijela varira od nekoliko jedinica do nekoliko desetaka, u ferroelektrici mogu dostići 10 4. Takav rasipanje vrijednosti ε je zbog različitih mehanizama polarizacije koji imaju mjesto u različitim dielektrici.

Klasična mikroskopska teorija dovodi do približenog izražavanja za dielektričnu propusnost ne-polarnog dielektrika:

gde nisam koncentracija I-tih atoma, jona ili molekula, α I ja sam njihova polarizivnost, β I je takozvani interni faktor terenskog polja zbog karakteristika strukture kristala ili supstancije. Za većinu dielektrike sa dielektričnom konstantom leži unutar 2-8, β \u003d 1/3. Obično je dielektrična konstanta gotovo neovisna o vrijednosti primijenjenog električnog polja do električnog raspada dielektričnog dijela. Visoke vrijednosti ε nekih oksida metala i drugih spojeva nastaju zbog karakteristika njihove strukture, što priznaje kolektivni premještanje cerebrana pozitivnih i negativnih jona u suprotnim smjerovima pod djelovanjem polja E.

Proces polarizacije dielektrike prilikom primjene električnog polja ne razvija se odmah, a za neko vrijeme τ (vrijeme opuštanja). Ako se polje E varira u vremenu t za harmoničnu zakon s frekvencijom ω, polarizacija dielektrika nema vremena za praćenje i između oscilacija P i E pojavljuju se fazna razlika Δ. Kada opisuje oscilacije P i E metode složenih amplituda, dielektrična konstanta je sveobuhvatna vrijednost:

ε \u003d ε '+ iε ",

Štaviše, ε 'i ε "ovise o ω i τ, a omjer ε" / ε' \u003d tg Δ određuje dielektrične gubitke u mediju. Fazna pomicanja Δ ovisi o omjeru τ i razdoblju polja T \u003d 2π / ω. Na τ.<< Т (ω<< 1/τ, низкие частоты) направление Р изменяется практически одновременно с Е, т. е. δ → 0 (механизм поляризации «включён»). Соответствующее значение ε’ обозначают ε (0) . При τ >\u003e T (visoke frekvencije) polarizacija nema vremena za promjenu ε, Δ → π i ε 'u ovom slučaju označava ε (∞) (mehanizam polarizacije "onemogućen"). Očito, Ε (0)\u003e ε (∞), te u promenljivim poljima, dielektrična konstanta je funkcija ω. U blizini ω \u003d l / τ, promjena u ε 'iz ε (0) do ε (∞) (disperzijska regija) i ovisnost TGδ (ω) prolazi kroz maksimum.

Karakter ovisnosti ε '(ω) i tgδ (ω) u disperzijskom području određuje se mehanizmom polarizacije. U slučaju ionske i elektronske polarizacije, s elastičnim premještanjem povezanih troškova, promjena u P (t) sa stupnjem uključivanja polja E ima prirodu poplavnih oscilacija i ovisnosti o "(ω) i TGδ (ω) se nazivaju rezonantnim. U slučaju orijentacionalne polarizacije, uspostavljanje P (t) je eksponencijalna, a ovise o "(ω) i tgδ (ω) nazivaju se opušteno.

Metode mjerenja dielektrične polarizacije temelje se na pojavu interakcije elektromagnetskog polja s električnim dipolnim trenucima čestica tvari i različite su za različite frekvencije. Na osnovu većine metoda na ω ≤ 10 8 Hz, proces punjenja i ispuštanja mjernog kondenzatora ispunjen dielektrikom u studiju. Na višim frekvencijama koriste se valovodni, rezonantni, višefrekventni i drugi metodi.

U nekom dielektrikom, na primjer, ferroelektrika, proporcionalna ovisnost između P i ε [ρ \u003d ε 0 (Ε - 1) e] i, dakle, između D i E, prekrši se u konvencionalnim električnim poljima postignutim u praksi. Formalno, ovo je opisano kao ovisnost ε (ε) ≠ Const. U ovom slučaju, važna električna karakteristika dielektrika je diferencijalna dielektrična konstanta:

U nelinearnoj dielektrici, vrijednost ε Diff se obično koristi u slabim varijabilnim poljima, istovremeno preklapajući snažno direktno polje, a varijabilna komponenta ε Diff naziva se reverzibilna dielektrična konstanta.

Lit. Pogledajte umetnost. Dielektrika.