лаба. 1 лаба. Лабораторная работа 1 Изучение свойств проводников. Определение удельного сопротивления проводника Цели работы

• Название: Лабораторная работа 1 Изучение свойств проводников. Определение удельного сопротивления проводника Цели работы
• Дата: 23.05.2022
• Размер: 0.51 Mb.
• Имя файла: 1 лаба.docx
• Тип: Лабораторная работа; #545016
• страница: 2 из 5

4 Диэлектрики

В электронной технике, радиотехнике и приборостроении применяют множество различных диэлектриков. По функциям, выполняемым в аппаратуре и приборах, они подразделяются на электроизоляци­онные и конденсаторные материалы (пассивные диэлектрики) и управ­ляемые материалы (активные диэлектрики).

Электроизоляционные материалы используют для создания элект­рической изоляции, которая окружает токоведущие части электричес­ких устройств и отделяет друг от друга элементы схемы или конструк­ции, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Применение диэлектриков в конденсаторах позволяет получать требуемые значения емкости, а в некоторых случаях обеспечивает оп­ределенный характер зависимости этой емкости от внешних факторов. Диэлектрик конденсатора может запасать, а потом отдавать в цепь электрическую энергию (емкостный накопитель). Иногда конденсатор используют для разделения цепей постоянного и переменного токов, для изменения угла фазового сдвига и т. д.

Некоторые диэлектрики применяют как для создания электричес­кой изоляции, так и в качестве конденсаторных материалов (напри­мер, слюда, керамика, стекло, полистирольные и другие пленки). Тем не менее, требования к электроизоляционным и конденсаторным материалам существенно различаются. Если от электроизоляционно­го материала требуется невысокая относительная диэлектрическая проницаемость и большое удельное сопротивление, то диэлектрик конденсатора, наоборот, должен иметь повышенную ε и малое значение tgδ. Роль диэлектрика в конденсаторе также нельзя считать активной, но конденсатор уже является функциональным элементом в электри­ческой схеме.

Диэлектрические материалы являются основными видами электротехнических материалов, с которыми придется встретиться на практике будущим инженерам-электрикам (рисунок 2.1).

Эти материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей энергооборудования. Они включают в себя такие разнообразные типы электрической изоляции как: воздух в линиях электропередач и электроаппаратах; нефтяные и искусственные масла в трансформаторах, кабелях и конденсаторах; твердые диэлектрики в изоляторах воздушных линий (ВЛ), конденсаторах, установочных изделиях и корпусах аппаратов и т.п. При этом физические условия, в которых должна находиться и функционировать изоляция, накладывают определенные требования на физико-химические параметры материала, ограничивая возможные вид и тип используемых электротехнических материалов. Кроме того, при конструировании даже простейших изделий, предназначенных для работы в электрическом поле, необходимо четко представлять, какие процессы происходят в материале, как влияет тот, или иной материал на работу других частей устройства, в том числе за счет перераспределения электрического поля. Здесь необходимо учитывать разноплановые характеристики материала:

механические: плотность и вес материала, прочность;

теплофизические: теплопроводность, теплоемкость, нагревостойкость, теплостойкость и горючесть;

электрофизические: диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность, трекингостойкость;

физико-химические: химическая стойкость, влагопроницаемость и т.д.

Рисунок 2.1 – Классификация диэлектриков
Зачастую все требования невозможно выполнить. Чтобы оценить значимость каждого из них и понять, какие требования, в каждом конкретном случае, являются главными, а какие - второстепенными (ими можно пренебречь) необходимо ясное понимание всего комплекса процессов, происходящих при функционировании устройств.

Дипольный момент молекулы. Полярные и неполярные диэлектрики

Молекулы в зависимости от наличия в них асимметрии электрического поля делятся на полярные и неполярные. В полярных молекулах центры положения суммарных зарядов противоположных знаков не совпадают, поэтому такие молекулы обладают дипольным моментом, модуль которого равен

,

где Q – суммарный заряд любого знака, x -взаимное смещение «центров»
суммарных зарядов.

Дипольный момент молекулы является вектором, направленным от отрицательного заряда к положительному. Модуль дипольного момента равен произведению расстояния между зарядами на модуль заряда.

В неполярных молекулах эти центры совпадают, поэтому их дипольный момент равен нулю. Молекулы веществ, состоящие из однотипных атомов (например, газы H₂, O₂, N₂ и др.) симметричны и поэтому неполярны. Молекулы веществ, состоящие из двух разнотипных атомов, всегда полярные. Если же разнотипных атомов в молекуле три и более, то молекула может быть как полярной, так и неполярной. Например, молекула углекислого газа, состоящая из трёх разнотипных атомов (СО₂ → О-С-О) симметрична и неполярна. Это остаётся справедливым и для молекулы ацетилена (C₂H₂). Молекулы H₂O и NH₃ имеют несимметричное строение, поэтому проявляют полярные свойства.

Особую группу материалов составляют вещества, молекулы которых имеют ионную связь (NaCl, KCl, KBr и др.). Их кристаллические решётки представляют собой систему знакочередующихся узлов - ионов. В таких решётках нельзя выделить отдельную молекулу, а саму решетку следует рассматривать в виде двух подрешеток, вставленных друг в друга. Как известно, молекулы состоят из атомов, окруженных электронными оболочками. При этом электроны могут равномерно распределяться по молекуле, а могут и концентрироваться на каких-либо атомах. В первом случае говорят, что молекула неполярная. Пример - молекула водорода или атом гелия.

Во втором случае в молекуле образуются области с положительным и отрицательным зарядами. Если в молекуле возможно выделить направление, вдоль которого с одной стороны располагаются положительные заряды, а с другой стороны - отрицательные, то такая молекула является полярной или дипольной.

В полярной молекуле под действием поля происходит ориентация диполя в направлении вектора напряженности. Диэлектрики, состоящие из полярных молекул, называют полярными диэлектриками. В этом случае в зависимости от значения дипольного момента молекулы и концентрации молекул поляризация может быть значительной.

В неполярной молекуле под действием электрического поля происходит смещение (деформация) электронных оболочек. В результате этой деформации возникает индуцированный дипольный момент молекулы, то есть молекула поляризуется. Поляризация за счет смещения электронов называется электронной. Возникающий дипольный момент невелик. Диэлектрики, состоящие из неполярных молекул, называются неполярными диэлектриками.

В некоторых твердых диэлектриках может существовать особый вид поляризации – спонтанная (самопроизвольная), или доменная поляризация. Она существует только в кристаллах, но далеко не во всех, в аморфных телах ее не бывает. В некоторых веществах самопроизвольно возникают поляризованные микроскопические области (домены). При этом происходит смещение положительно заряженных ионов решетки в одну сторону, а отрицательно заряженных ионов в другую сторону. Микрообласть со спонтанной поляризацией называется доменом. Суммарный дипольный момент любого образца макроскопических размеров равен нулю, т.к. дипольные моменты доменов направлены в разные стороны. Если дипольные моменты доменов хаотически направлены в разные стороны, то такой диэлектрик называется сегнетоэлектриком.

Под действием электрического поля размеры доменов, направленных вдоль вектора поля увеличиваются, а противоположно направленные домены уменьшают свой размер. Кроме того, домены в диэлектрике поворачиваются в направлении электрического поля, как гигантские диполи. Только в отличие от диполей, где молекулы физически поворачиваются, в доменах перестраивается структура, так, что результирующий вектор поляризации каждого домена чуть-чуть смещается в направлении поля.