Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Физика диэлектриков: Методическое пособие

Голосов: 3

В данной работе подробно изучается сущность диэлектриков, особенности их строения, а также замечательные электрические свойства, находящие свое применение во многих областях современной науки и техники. Подробно рассматриваются процессы, проходящие в диэлектриках при внесении их во внешнее электрическое поле, и величины характеризующие вещество диэлектрика с точки зрения влияния его на распределение поля в пространстве. Изучаются различные виды поляризации веществ, определяется, в каких случаях имеет место та или иная поляризация. Рассматриваются различные методы измерения диэлектрической проницаемости веществ. Изучается строение слюды, особенности в расположении атомов, оказывающие влияние на механические и электрические свойства образцов.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                их структуре уже имелись водные плёнки, адсорбировавшиеся из атмосфе-
            ры, и те, за счёт которых держится каркас слюдяных лепестков, но эти
            плёнки очень тонкие и покрывают небольшую часть поверхности в компо-
            зитах. Молекулы воды имеют электрический момент и поэтому выстраи-
            ваются вдоль поля центров электрической активности в образце. При по-
            мещении образца во влажную среду в слюдобумаге растёт число молекул
            воды взаимодействующих с центрами активности, теперь если поместить
            этот образец в поле, то произойдёт ориентационная поляризация плёноч-
            ных молекул воды и на границе диэлектрика возникнет связанный заряд,
            за счёт которого в образце ослабнет внешнее поле, а значит, уменьшится
            число носителей заряда, освободившихся им до увлажнения.
                  Макроскопически для всего образца это соответствует увеличению
            его сопротивления. Таким образом, сопротивление увеличивается до опре-
            делённого значения, а затем происходит его спад. При некотором количе-
            стве влаги в образце, его сопротивление достигает максимального значе-
            ния, при дальнейшем увлажнении локальные плёнки воды начинают объе-
            диняться и в процессе переноса электрического заряда на макроскопиче-
            ские расстояния начинают принимать участие ионы удерживаемые силь-
            ными активными центрами это приводит к уменьшению сопротивления
            образца. Так же для увлажняемых образцов с ростом ёмкости наблюдается
            рост проводимости, что и следовало ожидать.

                                Образец слюды в электрическом поле

                  Можно также провести эксперимент другого рода: поместить обра-
            зец слюды на некоторое время в электрическое поле; после пребывании в
            поле оставить его в покое, а затем произвести измерения ёмкости и сопро-
            тивления. Целью этого эксперимента являлось выяснение влияния элек-
            трических полей достаточно большой напряжённости на флогопитовые
            слюдобумаги, а точнее, производят ли сильные поля необратимые измене-
            ния в строении кристаллов слюды, что должно сказаться на электрических
            характеристиках образцов. В результате измерений значительных откло-
            нений в сопротивлении и электрической ёмкости образца не может быть
            замечено. Это подтверждено множеством опытов. Здесь вспоминается по-
            добный эксперимент. Если поместить некоторый расплавленный диэлек-
            трик в сильное электрическое поле, выдержать в нём продолжительное
            время, вернуть вещество в твёрдое состояние, отключить внешнее поле и
            измерить электрические характеристики образца, то окажется, что вещест-
            во образца поляризовано. Это явление сохраняется в течение нескольких
            часов, а иногда и суток. Очевидно, что при внесении расплавленного ди-
            электрика во внешнее поле его молекулы (ионы) приобретают некоторый
            момент, который “замораживается” при затвердевании образца и сохраня-
            ется некоторое время. В конце концов, поляризация, конечно, исчезает за
            счёт теплового движения молекул диэлектрика. Видно, что в твёрдом ди-
            электрике молекулы менее свободны, чем в расплавленном, а потому при-

                                                                                   61

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


            обретаемый ими дипольный момент значительно меньше, чем в описанном
            выше опыте.




                                                                                   62

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


                                                  Выводы

                  В данной работе мы подробно изучили сущность диэлектриков, осо-
            бенности их строения, а также замечательные электрические свойства, на-
            ходящие своё применение во многих областях современной науки и техни-
            ки. Нами были подробно рассмотрены процессы, проходящие в диэлектри-
            ках при внесении их во внешнее электрическое поле, и величины характе-
            ризующие вещество диэлектрика с точки зрения влияния его на распреде-
            ление поля в пространстве. Мы изучили различные виды поляризации ве-
            ществ (электронного смещения, ионную, ориентационную и тепловую),
            определили, в каких случаях имеет место та или иная поляризация. При
            этом мы посчитали необходимым изложить общие принципы подсчёта по-
            ля внутри диэлектрика, в связи с чем вывели знаменитое уравнение Клау-
            зиуса – Мосотти.
                  После этого мы рассмотрели различные методы измерения диэлек-
            трической проницаемости веществ, а также случаи приобретения вещест-
            вами больших значений диэлектрической проницаемости (с выяснением
            причин этого явления).
                  И, наконец, мы изучили строение слюды, особенности в расположе-
            нии атомов, оказывающие влияние на механические и электрические свой-
            ства образцов. Были предприняты попытки объяснить механизм поляриза-
            ции слюды, а также зависимости её электрических свойств от всякого рода
            примесей, дефектов, искажений решётки и т.д. Было выяснено, что чем
            больше дефектов и примесей в кристаллах слюды, тем больше площадь ак-
            тивной поверхности и, следовательно, выше диэлектрическая проницае-
            мость образца.
                  Кроме того, рассмотрена очень важная особенность слюды, как ди-
            электрика. Будучи в активном механическом состоянии, слюда является
            гигроскопичным материалом, что обычно нежелательно для диэлектриков
            и изоляции. Но в нашем случае всё несколько иначе. Чем более активна и
            гигроскопична слюда, тем больше может быть площадь водяных плёнок на
            образце. Водяные плёнки, как мы убедились, оказывают существенное
            влияние на величину диэлектрической проницаемости слюды и, как след-
            ствие, повышают качества слюды как диэлектрика.
                  Ярко выраженная зависимость диэлектрической проницаемости
            слюды от степени увлажнения образца позволяет использовать её как ди-
            электрический материал, работающий в широком диапазоне внешних ус-
            ловий и позволяющий регулировать свои электрические свойства. Следует
            заметить, что аккумуляторы, созданные на основе слюды, заряжаются на-
            много быстрее щёлочно-кислотных, более безопасны, экологичны, дёшевы
            и легки в эксплуатации, а также более долговечны. Конденсаторы со слю-
            дой в качестве диэлектрика обладают большой ёмкостью и потому способ-
            ны накапливать огромную электрическую энергию. При использовании
            слюдо-водных композитов могут быть изготовлены компактные стабили-
                                                                                   63

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


            заторы электрической энергии. В них сочетаются свойства как конденса-
            торов, так и аккумуляторов: они способны накапливать энергию от источ-
            ника, а затем, если это необходимо, отдавать накопленную энергию в тече-
            ние долгого времени.
                  Дальнейшее подробное исследование свойств слюды откроет многие
            другие интересные эффекты, которые позволят значительно облегчить и
            улучшить многие устройства и приборы, а также глубже взглянуть на при-
            роду процессов, происходящих в диэлектриках.




                                                                                   64

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


                                                       Приложение



               Поляризуемость атомов
               элементов одной группы                      Поляризуемость атомов
               периодической системы                       при увеличивающемся
               Менделеева                                  атомном номере
                                Таблица 1                                       Таблица 2
                 Элемент       α ⋅ 10 24 см 3                 Элемент        α ⋅ 10 24 см 3

                     F             0,4                            C                0,96

                     Cl            2,4                            N                0,96

                    Br             3,6                            O                0,64

                     J             5,8                            F                0,4




                 Поляризуемость ионов                                 Таблица 3
                               Число электро-
                                нов у атома              Число
                 Элемент                               электронов α ⋅ 10 24 см 3
                               Слой             Слой     у иона
                                K                L
                     He           2              –          –           0,197
                     Li+          2              1          2           0,079
                    Be++          2              2          2           0,035
                   B+++           2             2; 1        2           0,020
                   C++++          2             2; 2        2           0,012
                    O––           2             2; 4       *10           2,76
                     F–           2             2; 5       *10          0,985




                                                                                              65

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


                      Ионизационный потенциал
                      и поляризуемость некото-
                      рых атомов одинаковой
                      структуры                     Таблица 4
                                  Ионизационный
                                     потенциал    Поляризуемость
                        Элемент      (El → El + )       24   3
                                                               α ⋅ 10    см
                                              в эл.-в
                            Ne                40,90                0,394
                            Ar                27,82                 1,65
                            Kr                13,90                 2,51
                            Xe                12,08                 4,10




                      Ионизационный потенциал
                      и поляризуемость ионов
                      щелочных металлов              Таблица 5
                                  Ионизационный
                                     потенциал    Поляризуемость
                        Элемент      (El → El + )       24   3
                                                               α ⋅ 10   см
                                           в эл.-в
                           Li              75,28                   0,079
                           Na               47,0                   0,197
                           K                31,7                   0,879




                    ε и ν для некоторых неполярных
                    газов при 20 o C                                    Таблица 7
                       Газ                ε               νD                 νD
                                                                              2


                      Гелий           1,000074          1,000035        1,000070
                     Водород          1,00027            1,00014         1,00028
                       Азот           1,00058            1,00030         1,00060
                     Кислород         1,00055            1,00027         1,00054
                      Метан           1,00095            1,00044         1,00088



                                                                                    66

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


                        Экспериментальные данные Ле-
                        бедева (1891 год) о диэлектриче-
                        ской проницаемости паров по-
                        лярных жидкостей                                     Таблица 8
                                   Газ                        t oC               ε
                             Этиловый эфир                    100             1,0045
                            Метиловый спирт                   100             1,0057
                             Этиловый спирт                   100             1,0065
                          Муравьино-метиловый
                                                              100             1,0069
                                  эфир
                          Муравьино-этиловый
                                                              100             1,0083
                                  эфир
                         Уксусно-метиловый эфир               100             1,0073
                          Пропионо-метиловый
                                                              119             1,0140
                                  эфир
                         Пропионо-этиловый эфир               122             1,0140




           Результаты вычислений ε П. Н. Лебедевым                                           Таблица 9
                                                                                          ε −1     ε −1
                                t oC      ε       d                   t oC       d
              Вещество                                    D                            пара.   пара.
                               жидк. жидк. жидк.                     пара.     пара.
                                                                                      вычисл. измер.
                Вода             14     83,7    0,999 1,04           170       0,0005 0,0014 0,0010
            Метиловый
                                 14     32,7    0,800 0,88           100       0,0010    0,0034   0,0057
               спирт
             Этиловый
                                 14     27,0    0,798 0,89           100       0,0015    0,0051   0,0065
               спирт
            Муравьино-
             метиловый           14      9,0    0,980 1,31           100       0,0020    0,0046   0,0069
                эфир
              Уксусно-
             метиловый           14      7,7    0,932 1,35           100       0,0024    0,0053   0,0073
                эфир
           Этиловый эфир         7      4,76    0,740 1,33           100       0,0024    0,0054   0,0045
            Сероуглерод          7      2,71    1,283 3,53            0        0,0034    0,0029   0,0029
               Бензол            17     2,34    0,883 2,87           100       0,0025    0,0026   0,0027



                                                                                                     67

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


            Диэлектрическая проницаемость жидкостей (по Зилову)                            Таблица 10
                                         Диэлектрическая
                                          проницаемость                                     ε
                                                                  Показатель
                    Жидкость                        ε
                                                                 преломления
                                                                                Первый          Второй
                                                                                 метод          метод
                 Скипидар 1
                                            2,153       2,173        1,458         1,468         1,473
                (терпентин 1)
                 Скипидар 2
                                             –          2,275        1,453          –            1,507
                (терпентин 2)
             Керосин 1 (петроль 1)          2,071        –           1,422         1,439           –
             Керосин 2 (петроль 2)            –         2,037        1,435           –           1,428
                   Бензол                   2,198         –          1,486         1,483           –




        Диэлектрическая проницаемость жидкостей (по Косоногову)                            Таблица 11
                                                    Длина волны, см                         Показатель
                                                                                           преломления
               Жидкости
                                     1,92        2,95        4,30     6,43     9,04            при
                                                                                           λ = 6 ⋅ 10 −5 см
         Жидкий пара-        ε     1,476      1,475         1,458   1,445     1,433
                                                                                               1,4857
            фин             ε      2,179      2,176         2,126   2,088     2,053
                             ε     1,459      1,453         1,443   1,429     1,417
            Керосин                                                                            1,4582
                            ε      2,129      2,111         2,082   2,042     2,008
                             ε     1,561      1,560         1,525   1,520     1,504
             Бензин                                                                            1,4010
                            ε      2,437      2,434         2,326   2,326     2,262
           Касторовое        ε     1,421      1,385         1,419   1,992     2,000
                                                                                               1,4804
             масло          ε      2,019      1,918         2,014   3,968     4,00




                                                                                                       68

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


                        Диэлектрическая проницаемость и
                        показатель преломления света для
                        некоторых неполярных жидких ди-
                        электриков                                        Таблица 12
                         Характер жид-
                                                  Жидкость            ν      ν2     ε
                             кости
                                             Четырёххлористый
                                                              1,46 2,13 2,23
                           Неполярные            углерод
                                                    Бензол           1,50 2,25 2,27
                                                    Толуол           1,50 2,25 2,39
                         Слабополярные
                                                    Ксилол           1,50 2,25 2,37




               Экспериментальные данные Н. Шиллера (1874 г.)
                о диэлектрической проницаемости твёрдых диэлек-
               триков                                                          Таблица 13
                                        Диэлектрическая прони-
                                                                             Квадрат пока-
                                               цаемость
                      Диэлектрик                                             зателя прелом-
                                        По способу   По спосо-
                                                                                 ления
                                         Шиллера     бу Зилова
                    Чистый каучук          2,12         2,34                       2,25
                Парафин (прозрачный)       1,68          –                           –
                 Парафин (молочнобе-       1,81         1,92                       2,19
                         лый)              1,89         2,47                       2,34
                  Вулканизированный
                                           2,69         2,94                        –
                       каучук 1)
                       Эбонит 1)           2,21         2,75                        –
                                           2,96          –                          –
                  Стекло полубелое 1)
                                           3,66         4,12                        –
                Белое зеркальное стек-
                                           5,82         6,35                        –
                         ло 1)


              Примечание: диэлектрики, помеченные 1), содержат ионы или поляр-
              ные группы.


                                                                                              69

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com


                Диэлектрическая проницаемость кристаллов
                типа рутила к перовскита.                                         Таблица 14
                                                                                 Длина волны,
                                                             ε в поликри-        соотв. частоте
                 Вещество      Структура       ε∞ =ν    2
                                                            сталлическом         собств. колеб.
                                                              состоянии          ионов решёт-
                                                                                     ки (ё )
                                                                110 ч 114
                    TiO2          Рутил           7,3                                 13–39
                                                               173 || оси
                    SnO2         Рутил           4,37             24,0                     –
                    PbO2         Рутил           6,76             26,0                     –
                   BeTiO3      Перовскит           –               60                      –
                   CaTiO3      Перовскит          5,3             130                      –
                   SrTiO3      Перовскит           –              200                      –
                   CaZrO3      Перовскит           –               28                      –
                   BaZrO3      Перовскит           –               20                      –




                                                                       Атом кислорода (O )
                                                                        Атом кремния (Si )
                                                                       Атом алюминия ( Al )
                                                                      Гидроксильная группа
                                                                                   (OH )
                                                                                      −


                                                                            Атом калия (K + )




               Рис.15       Двойной кремне-кислородный пакет




                                                                                                  70

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика