Рассеяние энергии электрического поля в диэлектриках

Под действием электрического поля в диэлектрике развиваются два основных процесса: поляризация и сквозная электропроводность. Развитие этих процессов может привести к рассеянию энергии электрического поля в диэлектрике. Так, под действием электрического поля свободные носители заряда набирают кинетическую энергию и, сталкиваясь с молекулами вещества, передают им эту энергию. Таким образом, энергия электрического поля трансформируется в тепловую энергию материала. Кроме того, в случае, когда структурные единицы вещества (молекулы) полярны, внешнее электрическое поле совершает работу по повороту диполей по полю, и, как следствие, энергия поля вновь рассеивается в материале.

В идеальном диэлектрике сдвиг фаз между напряжением и реактивной составляющей тока равен 90 градусам. В реальном диэлектрике появляется активная составляющая тока. Поэтому векторная диаграмма токов и напряжений выглядит, как показано на рисунке 3.9.

Зная величину напряжения, круговую частоту и емкость, можно определить реактивную составляющую тока:

Ip=U´wґC (1)

Тогда активная составляющая тока определится как:

Ia=Ipґ tgd (2)

Рассеиваемую мощность можно определить следующим образом:

Р=U´Ia= U´w´C´tgd (3)

 

Рисунок 3.9. Векторная диаграмма токов и напряжений в реальном диэлектрике

 

Таким образом, tgd можно использовать в качестве меры потерь энергии поля в диэлектрике. Рассмотрим зависимости tgd от температуры в полярных и неполярных диэлектриках.

С увеличением температуры концентрация носителей заряда в диэлектрике повышается, поскольку увеличивается вероятность выхода иона из потенциальной ямы (см. лабораторную работу 2). Поэтому вероятность столкновения носителя заряда со структурной единицей вещества также растет. Следовательно, при увеличении температуры потери на сквозную электро­проводность возрастают. В неполярных диэлектриках реализуется упругая электронная или упругая ионная поляризация. Как известно, при развитии упругих процессов потерь энергии нет, поэтому в неполярных диэлектриках основной вид потерь - потери за счет сквозной электропроводности.

В полярных диэлектриках, помимо потерь на сквозную электропроводность, появляются потери на поляризацию, то есть внешнее электрическое поле совершает работу по повороту диполей. Эту работу можно оценить как произведение момента сил (М) на угол поворота (f). При увеличении температуры подвижность диполей растет, и момент сил, необходимый для поворота на один и тот же угол, снижается. В то же время, рост подвижности диполей при повышении температуры ведет к увеличению угла поворота под действием постоянного момента сил (рисунок 3.10). Таким образом, работа, совершаемая электрическим полем на поворот диполей, при росте температуры вначале увеличивается, а затем уменьшается.

Помимо потерь энергии поля на поляризацию, в полярных диэлектриках существуют потери на сквозную электропроводность. Важно отметить, что хотя качественно процесс электропроводности в полярных диэлектриках не отличается от процесса электропроводности в неполярных диэлектриках, количественные различия имеются. Так, в полярных диэлектриках концентрация носителей заряда, как правило, повышена, поскольку из-за полярности молекул основного материала очистка его от примесей затруднена.

 

Рисунок 3.10ю Зависимость угла поворота диполей (f), момента сил, необходимых для поворота, (М) и работы по повороту диполя электрическим полем (А) от температуры

 

 

Экспериментальная часть

Материал представляет собой твёрдый диэлектрик прямоугольной формы, с размерами 10 Х 10 мм и толщиной 0,2 мм. На две сторон пластины нанесено металлическое напыление, от которых сделаны два металлических вывода. Таким образом, образуется плоский конденсатор, ёмкость которого зависит от геометрических размеров и от свойств диэлектрика, т. е. от диэлектрической проницаемости материала (e). Измерив ёмкость конденсатора мы можем определить диэлектрическую проницаемость взятого диэлектрика, т.к.

Сх = e×Со

где Сх – ёмкость конденсатора, которая измеряется экспериментально, Со – ёмкость конденсатора без диэлектрика в вакууме, которую можно рассчитать по формуле:

Со = ε_о^. S/d

где d – толщина пластины, S – площадь пластины.

Откуда получаем:

e = × Сх / Со

 

Емкость конденсатора при каждой температуре находится при помощи измерителя иммитанса Е7-21. Нагрев осуществляется с помощью печи, с регулируемой мощностью нагрева.

 

Выполнение работы

1.Включите две спирали нагревательной печи, для равномерного нагрева. Регулятор скорости нагрева должен находиться в крайнем левом положении.

2. Включите измеритель иммитанса на задней панели прибора. На индикаторной панели измерителя верхняя строка показывает ёмкость (нФ), нижняя левая - тангенс угла потерь, нижняя правая - частоту, при которой проводятся измерения.

3. Через 2 минуты после прогрева прибора запишите показания при комнатной температуре.

4.Плавно поворачивайте регулятор скорости нагрева. Индикаторная лампа на передней панели печи показывает интенсивность нагрева. Остановившись на определённом положении регулятора, подождите 2 – 3 минуты, для того чтобы температура печи установилась. После этого записывайте значения. Внимательно следите за температурой, проводя из­мерения через каждые 10 градусов. Измерения снимаются при нагреве до 140^о.

 

ВНИМАНИЕ: Не поворачивайте регулятор скорости нагрева слишком резко, чтобы температура в печи не превысила 140^о.

 

После достижения предельной температуры регулятор скорости нагрева уберите в крайнее левое положение и полностью выключите нагревательный при­бор.

 

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: автоматический цифровой измеритель иммитанса - сложный до­рогостоящий прибор, требующий аккуратного обращения. Не проводите ма­ни­пуляций с прибором, не предусмотренных настоящим описанием.

 

5.Рассчитайте значения диэлектрической проницаемости материала при каж­дой температуре.

6.Занесите данные в таблицу 5.1.

Таблица 5.1

Температу­ра, °С	Сх	tgd	e

 

7.Постройте графики зависимости тангенса угла по­терь и диэлектрической проницаемости от температуры и объясните их.

8.По результатам измерений определите предполагаемый механизм поляризации материала (электронный, ионный и т.д.).

Требования к отчету

Отчет должен содержать: наименование работы, цель работы, краткую теоретическую часть, результаты в виде таблиц и графиков, выводы.

 

Контрольные вопросы

 

Лабораторная работа № 4