Исследование частотной зависимости диэлектрических характеристик увлажненных образцов торфа

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

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: студентка

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
Виды диэлектриков и их основные свойства Основные модели диэлектриков Влияние влаги на диэлектрическую проницаемость диэлектриков Частотная зависимость диэлектрической проницаемости диэлектриков	4 8 12
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	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:

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

2. Освоить методику измерения диэлектрической проницаемости на низких частотах.

3. Экспериментально определить диэлектрическую проницаемость диэлектриков на разных частотах

 

Объектом исследования в курсовой работе является диэлектрическая  проницаемость диэлектриков.

 

Предметом исследования является частотная зависимость увлажненных почв.

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Основные характеристики диэлектриков

1. Виды диэлектриков и их основные свойства

 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 совпадают. Следовательно, неполярные молекулы не обладают электрическим моментом и их электрический момент p = q • l = 0. Примером практически неполярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных материалов, являются углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др..

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

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 = α_э • E                                                        (1),[1]

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 = α_э • n • E = ε₀ ( ε - 1 ) • E , откуда

ε = 1 + n • α_э / ε₀ ,                                               (2),[1]

α_э 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

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 k_упр—коэффициент упругой связи, а через Δх смещение ионов, то в состоянии равновесия

qE= k_упр • Δх, а элементарный электрический момент пары, состоящей из двух разноименно заряженных ионов Р_и = qΔх =q²E/k_упр и

α_и = q²/k_упр                                                     (3),[1]

Тогда поляризованность единицы объема Р_и 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 = α_э + α_и. 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 некоторой  упорядоченности в расположении полярных молекул, совершающих хаотические тепловые движения под действием электрического поля. При дипольно-радикальной или дипольно-сегментальной поляризации в некоторых полярных полимерах под действием поля происходит определенное упорядочение полярных радикалов или более крупных частей макромолекул-сегментов.

 Релаксационная  поляризованность при дипольно-релаксационной  поляризации после приложения поля к диэлектрику нарастает во времени до установления значения Р₀ согласно выражению