Автор: Пользователь скрыл имя, 15 Октября 2013 в 17:27, курсовая работа
Целью курсовой работы является исследование частотной зависимости диэлектрических характеристик - диэлектрической проницаемости, тангенса диэлектрических потерь. Исходя из указанной цели, можно выделить задачи, поставленные в курсовой работе:
1. На основе анализа литературы выявить основные направления работы:
• рассмотреть различные виды диэлектриков и изучить их основные свойства
• изучить основные модели диэлектриков
• изучить влияние влаги на диэлектрическую проницаемость диэлектриков
Введение
Глава 1. Основные характеристики диэлектриков
1.1 Виды диэлектриков и их основные свойства
1.2 Основные модели диэлектриков
1.3 Влияние влаги на диэлектрическую проницаемость диэлектриков
1.4 Частотная зависимость диэлектрической проницаемости диэлектриков
Глава 2. Исследование частотной зависимости диэлектрических характеристик увлажненных образцов
2.1 Описание экспериментальной установки и метода измерения
2.2 Исследование частотной зависимости диэлектрических характеристик увлажненных сыпучих материалов
Заключение
Библиографический список
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное
бюджетное образовательное
высшего профессионального образования
«Омский государственный педагогический университет »
Факультет математики, информатики, физики и технологии
Кафедра физики и методики обучения физике
Исследование частотной зависимости диэлектрических характеристик
увлажненных образцов торфа
Курсовая работа
по специальности 50203.65 - Физика с дополнительной специальностью Информатика
Выполнила
42 группы
________________________
(подпись)
Научный руководитель:
к.ф.-м.н., доцент
Оценка _______________
«25» декабря 2012г.
________________________
(подпись)
Омск, 2012.
Содержание
Введение |
3 |
Глава 1. Основные характеристики диэлектриков |
|
|
4 8 12 |
Глава 2. Исследование
частотной зависимости |
|
2.1 Описание экспериментальной установки и метода измерения 2.2 Исследование частотной зависимости диэлектрических характеристик увлажненных сыпучих материалов Заключение |
16 18 24 |
Библиографический список |
25 |
Введение
Диэлектрики – вещества, обладающие малой электропроводностью, так как у
них очень мало свободных заряженных частиц – электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур. Поляризация диэлектриков происходит вследствие смещения электрических зарядов в диэлектрике атомов, молекул, ионов под действием приложенного напряжения. С поляризацией диэлектрика связана одна из важнейших характеристик - диэлектрическая проницаемость вещества e. Диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз электрическое поле в диэлектрике меньше электрического поля в вакууме и дает возможность судить об интенсивности процессов поляризации и качестве диэлектрика. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости несет информацию о механизмах поляризации и их относительном вкладе в поляризацию диэлектрика. Все вышеизложенное определило актуальность курсовой работы.
Целью курсовой работы является исследование частотной зависимости диэлектрических характеристик - диэлектрической проницаемости, тангенса диэлектрических потерь. Исходя из указанной цели, можно выделить задачи, поставленные в курсовой работе:
Объектом исследования в курсовой работе является диэлектрическая проницаемость диэлектриков.
Предметом исследования является частотная зависимость увлажненных почв.
Глава 1. Основные характеристики диэлектриков
В настоящее время принято разделение линейных диэлектриков по механизмам поляризации молекул. Эта классификация исключительно важна при изучении как электрических, так и общих физико-химических свойств диэлектриков [ссылка на библиографию].
Неполярные диэлектрики (нейтральные) — состоят из неполярных молекул,
у которых
центры тяжести положительного
и отрицательного зарядов
Полярные диэлектрики (дипольные) — состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. При замещении в неполярных полимерах некоторой части водородных атомов другими атомами или не углеводородными радикалами получаются полярные вещества. При определении полярности вещества по химической формуле следует учитывать пространственное строение молекул. К полярным диэлектрикам относятся феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др. Примеры молекул неполярных и
полярных веществ показаны на рис. 1.
|
рис. 1. |
Ионные соединения представляют собой твердые неорганические диэлектрики с ионным типом химической связи. Для этой группы соединений характерны, кроме электронной, ионная и электронно-релаксационная поляризации. Принято выделять группу диэлектриков с быстрыми видами поляризаций — электронной и ионной, и с замедленными видами поляризаций релаксационного типа, накладывающихся на электронную и ионную поляризацию. К первой группе, в которой наблюдаются только быстрые виды поляризаций, относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов. К ним относятся каменная соль, кварц, слюда, корунд, двуокись титана (рутил) и др. Ко второй группе, в которой кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке
имеют также и ионно - релаксационную поляризацию, относятся неорганические стекла, электротехнический фарфор, ситаллы, микалекс и др.
Электронная поляризация возникает в результате смещения электронных облаков относительно центра ядер атомов или ионов под действием электрического поля. Наблюдается во всех без исключения диэлектриках, а в неполярных материалах является единственным видом поляризации. Происходит электронная поляризация практически мгновенно - за время 10-14 - 10-16 с. После выключения электрического поля энергия, затраченная на поляризацию, возвращается источнику электрической энергии, так как деформированные оболочки атомов и ионов возвращаются в прежнее положение. Таким образом, эта поляризация происходит без потерь энергии. Вместе с ионной поляризацией она составляет группу «упругих» или быстрых видов поляризаций. Электрический момент р, приходящийся на одну частицу (атом, ион) для не слишком больших полей, пропорционален напряженности поля
p = αэ • E
Коэффициент α э называется электронной поляризуемостью. Для многих диэлектриков, таких как газы, неполярные жидкости можно легко установить взаимосвязь между макроскопическим параметром диэлектрической проницаемостью — ε и микроскопическим параметром — поляризуемостью α э, используя, приведенные в разделе «Поляризация» формулы p = αэ • n • E = ε0 ( ε - 1 ) • E , откуда
ε = 1
+ n • αэ / ε0 ,
αэ частиц от температуры не зависит, но диэлектрическая проницаемость, как видно из последней формулы, зависит от числа частиц в единице объема n, которое уменьшается с повышением температуры из-за теплового расширения диэлектрика.
В температурной зависимости ε неполярных диэлектриков резкое уменьшение ε с температурой наблюдается при переходах вещества из одного агрегатного состояния в другое — из твердого в жидкое и из жидкого в газообразное. Диэлектрическая проницаемость ε неполярных диэлектриков близка к квадрату коэффициента лучепреломления диэлектрика (следствие уравнения Максвелла)
ε ≈ ν2. Так как время установления поляризации у таких диэлектриков очень мало, их ε не зависит от частоты вплоть до очень высоких частот, порядка 1014—1016 Гц. При таких частотах будет наблюдаться резонансная поляризация (см. рис. 2).
|
рис. 2 |
Большие отличия ε от ν2 свидетельствуют о том, что кроме электронной в веществе возникают другие виды поляризаций.
Ионная поляризация наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов. Как указывалось, время установления ионной поляризации весьма мало, всего на 2—3 порядка больше электронной поляризации. Соотношение ε ≈ ν2 для веществ с ионной поляризацией не соблюдается. Например, для каменной соли ν = 1,54; ν2 = 2,22 и ε = 4,8; для рутила TiO2: v = 2,7, ν2 = 7,3, ε = 114.
Зависимость ε от температуры у твердых ионных линейных диэлектриков с ростом температуры может быть различной. У большинства ионных диэлектриков с ростом температуры ε увеличивается, так как при этом уменьшается коэффициент упругой связи между ионами и расстояние между ними увеличивается при тепловом расширении материала. Если обозначим через kупр—коэффициент упругой связи, а через Δх смещение ионов, то в состоянии равновесия
qE= kупр • Δх, а элементарный электрический момент пары, состоящей из двух разноименно заряженных ионов Ри = qΔх =q2E/kупр и
αи = q2/kупр
Тогда поляризованность единицы объема Ри будет равна сумме всех элементарных моментов. ε увеличивается с ростом температуры для неорганических стекол различного состава, для электротехнического фарфора, содержащего большое количество стекловидной фазы. Но у некоторых веществ с большим внутренним полем электронная поляризация преобладает над ионной, как например у рутила TiO2 и перовскит CaTiO3, и ε с ростом температуры уменьшается.
Если диэлектрик характеризуется не только электронной, но и ионной поляризацией, то общая поляризуемость (деформационная) будет равна сумме электронной и ионной поляризуемости α = αэ + αи. Наличие второго слагаемого приводит к тому, что α ионных диэлектриков больше, чем у неполярных веществ. Более высокие значения ε наблюдается у ионных диэлектриков, содержащих многовалентные ноны, например Тi++++, Рb++, O--. В таких веществах ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, что обусловливает большую ионную поляризуемость.
Релаксационные виды поляризаций
Замедленные или релаксационные виды поляризаций проявляются в газах, жидкостях и твёрдых диэлектриках, если они состоят из полярных молекул, диполей или молекул, имеющих отдельные радикалы или части (сегменты), обладающие собственными электрическими моментами (дипольная, дипольно-релаксационной, дипольно-радикальная поляризации). В твердых телах возможны также разновидности релаксационных поляризаций, связанные, главным образом, с химическим составом, структурой и типом дефектов (электронно-релаксационная, ионно-релаксационная, миграционная, спонтанная поляризации).
Дипольно-релаксационная поляризация часто называется ориентационной,
так как она
проявляется в появлении
Релаксационная
поляризованность при дипольно-