ثابت العزل الكهربائي النسبي للوسط. منهجية قياس ثابت العزل الكهربائي

العمل المعملي الافتراضي رقم 3 ON

فيزياء الحالة الصلبة

دليل ارشادي لأداء العمل المخبري رقم 3 في قسم فيزياء الحالة الصلبة لطلبة التخصصات الفنية بكافة أشكال التعليم

كراسنويارسك 2012

المراجع

مرشح العلوم الفيزيائية والرياضية ، أستاذ مشارك أ.ن. باندورينا

(جامعة سيبيريا الحكومية للفضاء

سميت على اسم الأكاديمي م.ف. ريشيتنيف)

تم النشر بقرار من اللجنة المنهجية لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات

تحديد ثابت العزل الكهربائي لأشباه الموصلات. عمل المختبر الافتراضي رقم 3 في فيزياء الحالة الصلبة: إرشادات أداء العمل المعملي رقم 3 في قسم فيزياء الحالة الصلبة لطلبة التقنية. متخصص. جميع أشكال التعليم / إعداد : أ.م. خاركيف. سيب. ولاية الفضاء الجوي جامعة. – كراسنويارسك، 2012. – 21 ص.

الفضاء الجوي لدولة سيبيريا

جامعة سميت على اسم الأكاديمي م.ف. ريشتنيفا، 2012

مقدمة …………………………………………………………………………………………………………………………………………….4

القبول في العمل المخبري ………………………………………….4

إعداد العمل المختبري للدفاع ...........................................4

تحديد ثابت العزل الكهربائي لأشباه الموصلات ............ 5

نظرية الطريقة ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

منهجية قياس ثابت العزل ............................ 11

معالجة نتائج القياس……………………………………… 16

أسئلة الاختبار……………………………………………….17

اختبار ……………………………………………………………….17

المراجع ………………………………………………………………………………………………………………… 20

الملحق ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

مقدمة

تحتوي هذه الإرشادات على أوصاف للعمل المختبري الذي يتم فيه استخدام النماذج الافتراضية من دورة "فيزياء الحالة الصلبة".

القبول في العمل المختبري:

يجريها المعلم في مجموعات مع إجراء مسح شخصي لكل طالب. للقبول:

1) يقوم كل طالب أولاً بإعداد ملاحظاته الشخصية لهذا العمل المخبري؛

2) يتحقق المعلم بشكل فردي من تنسيق الملاحظات ويطرح أسئلة حول النظرية وتقنيات القياس وتركيب النتائج ومعالجتها؛

3) يجيب الطالب على الأسئلة المطروحة؛

4) يسمح المعلم للطالب بالعمل ويضع توقيعه على ملاحظات الطالب.

إعداد العمل المختبري للدفاع:

يجب أن يستوفي العمل المكتمل والمجهز بالكامل للدفاع المتطلبات التالية:

استكمال جميع النقاط: جميع حسابات القيم المطلوبة، وجميع الجداول المملوءة بالحبر، وجميع الرسوم البيانية المرسومة، وما إلى ذلك.

يجب أن تلبي الجداول جميع متطلبات المعلم.

لجميع القيم في الجداول، يجب كتابة وحدة القياس المقابلة.

تم تسجيل الاستنتاجات لكل رسم بياني.

تم كتابة الجواب في النموذج المحدد.

وتم تسجيل الاستنتاجات المبنية على الإجابة.

تحديد الاستمرارية العازلة لأشباه الموصلات

نظرية الطريقة

الاستقطابهي قدرة العازل على الاستقطاب تحت تأثير المجال الكهربائي، أي. تغيير موقع الجسيمات العازلة المشحونة المتصلة في الفضاء.

إن أهم خاصية للعوازل الكهربائية هي قدرتها على الخضوع للاستقطاب الكهربائي، أي. تحت تأثير المجال الكهربائي، يحدث إزاحة موجهة للجزيئات أو الجزيئات المشحونة على مسافة محدودة. تحت تأثير المجال الكهربائي، يتم إزاحة الشحنات في كل من الجزيئات القطبية وغير القطبية.

هناك أكثر من عشرة أنواع مختلفة من الاستقطاب. دعونا نلقي نظرة على بعض منهم:

1. الاستقطاب الإلكترونيهو إزاحة مدارات الإلكترون بالنسبة إلى نواة موجبة الشحنة. ويحدث في جميع ذرات أي مادة، أي. في جميع العوازل. يتم إنشاء الاستقطاب الإلكتروني خلال 10 -15 -10 -14 ثانية.

2. الاستقطاب الأيوني– إزاحة الأيونات المشحونة بشكل معاكس بالنسبة لبعضها البعض في المواد ذات الروابط الأيونية. زمن إنشائها هو 10 -13 -10 -12 ثانية. يعد الاستقطاب الإلكتروني والأيوني من بين أنواع الاستقطاب اللحظي أو التشوهي.

3. ثنائي القطب أو الاستقطاب الاتجاهيبسبب اتجاه ثنائيات القطب في اتجاه المجال الكهربائي. العوازل القطبية لها استقطاب ثنائي القطب. وقت إنشائها هو 10 -10 -10 -6 ثانية. الاستقطاب ثنائي القطب هو أحد أنواع الاستقطاب البطيء أو الاسترخاء.

4. استقطاب الهجرةلوحظ في العوازل غير المتجانسة، حيث تتراكم الشحنات الكهربائية عند حدود منطقة عدم التجانس. إن عمليات إنشاء استقطاب الهجرة بطيئة للغاية ويمكن أن تتم خلال دقائق وحتى ساعات.

5. استقطاب الاسترخاء الأيونييحدث بسبب النقل المفرط للأيونات ضعيفة الارتباط تحت تأثير المجال الكهربائي لمسافات تتجاوز ثابت الشبكة. يتجلى استقطاب الاسترخاء الأيوني في بعض المواد البلورية في وجود شوائب على شكل أيونات أو عبوات فضفاضة من الشبكة البلورية. وقت إنشائها هو 10 -8 -10 -4 ثانية.

6. استقطاب الاسترخاء الإلكترونيينشأ بسبب زيادة الإلكترونات "المعيبة" أو "الثقوب" المثارة بالطاقة الحرارية. عادة ما يؤدي هذا النوع من الاستقطاب إلى ارتفاع ثابت العزل الكهربائي.

7. الاستقطاب العفوي– الاستقطاب التلقائي الذي يحدث في بعض المواد (مثل ملح روشيل) في نطاق درجة حرارة معينة.

8. الاستقطاب ثنائي القطب المرنيرتبط بالدوران المرن لثنائيات القطب من خلال زوايا صغيرة.

9. الاستقطاب المتبقي– الاستقطاب الذي يبقى في بعض المواد (الإلكتريت) لفترة طويلة بعد زوال المجال الكهربائي.

10. الاستقطاب الرنان. إذا كان تردد المجال الكهربائي قريبًا من التردد الطبيعي لتذبذبات ثنائيات القطب، فقد تزيد اهتزازات الجزيئات، مما سيؤدي إلى ظهور استقطاب الرنين في العازل ثنائي القطب. ويلاحظ استقطاب الرنين عند الترددات الموجودة في منطقة ضوء الأشعة تحت الحمراء. يمكن أن يكون للعازل الحقيقي عدة أنواع من الاستقطاب في نفس الوقت. يتم تحديد حدوث نوع أو آخر من الاستقطاب من خلال الخواص الفيزيائية والكيميائية للمادة ونطاق الترددات المستخدمة.

المؤشرات الرئيسية:

ε – ثابت العزل الكهربائي- مقياس لقدرة المادة على الاستقطاب؛ هذه كمية توضح عدد المرات التي تكون فيها قوة تفاعل الشحنات الكهربائية في مادة معينة أقل منها في الفراغ. يظهر حقل داخل العازل الكهربائي، موجه عكس العازل الخارجي.

تضعف شدة المجال الخارجي مقارنة بالمجال الذي يحمل نفس الشحنات في الفراغ بمقدار ε مرات، حيث ε هو ثابت العزل الكهربائي النسبي.

إذا تم استبدال الفراغ بين لوحات المكثف بمادة عازلة، فنتيجة للاستقطاب تزداد السعة. هذا هو الأساس لتعريف بسيط لثابت العزل الكهربائي:

حيث C 0 هي سعة المكثف الذي يوجد بين صفائحه فراغ.

C d هي سعة نفس المكثف مع عازل.

يتم تحديد ثابت العزل الكهربائي ε للوسط المتناحي بواسطة العلاقة:

(2)

حيث χ هي قابلية العزل الكهربائي.

D = tan δ – ظل فقدان العزل الكهربائي

خسائر عازلة –فقدان الطاقة الكهربائية الناجم عن تدفق التيارات في العوازل. يتم التمييز بين تيار التوصيل I sc.pr، الناتج عن وجود عدد صغير من الأيونات سهلة الحركة في المواد العازلة، وتيارات الاستقطاب. في حالة الاستقطاب الإلكتروني والأيوني، يسمى تيار الاستقطاب تيار الإزاحة I سم، وهو قصير العمر للغاية ولا يتم تسجيله بواسطة الأجهزة. تسمى التيارات المرتبطة بأنواع الاستقطاب البطيئة (الاسترخاء) بتيارات الامتصاص I abs. في الحالة العامة، يتم تحديد التيار الإجمالي في العازل على النحو التالي: I = I abs + I sk.pr. بعد إنشاء الاستقطاب، سيكون التيار الإجمالي مساوياً لـ: I=I rms. إذا نشأت تيارات استقطاب مجال ثابت في لحظة تشغيل وإيقاف الجهد، وتم تحديد التيار الإجمالي وفقًا للمعادلة: I = I sk.pr، فإن تيارات استقطاب المجال المتناوب تنشأ في الوقت الحالي تغيرات قطبية الجهد. ونتيجة لذلك، يمكن أن تكون الخسائر في العازل في مجال متناوب كبيرة، خاصة إذا كانت نصف دورة الجهد المطبق تقترب من وقت إنشاء الاستقطاب.

في التين. يوضح الشكل 1 (أ) دائرة مكافئة لمكثف به عازل موجود في دائرة جهد متناوب. في هذه الدائرة، يتم استبدال مكثف ذو عازل حقيقي، والذي لديه خسائر، بمكثف مثالي C مع مقاومة نشطة متوازية R. في الشكل. يوضح الشكل 1 (ب) مخططًا متجهًا للتيارات والفولتية للدائرة قيد النظر، حيث U هو الجهد في الدائرة؛ أنا أك – التيار النشط. I r - التيار التفاعلي، الذي يتقدم بمقدار 90 درجة عن المكون النشط في الطور؛ أنا ∑ - إجمالي التيار. في هذه الحالة: I а =I R =U/R و I pr =I C =ωCU، حيث ω هو التردد الدائري للمجال المتناوب.

أرز. 1. (أ) - رسم بياني؛ (ب) - مخطط متجه للتيارات والفولتية

زاوية فقدان العزل الكهربائي هي الزاوية δ، والتي تكمل ما يصل إلى 90 درجة زاوية تحول الطور φ بين التيار I ∑ والجهد U في الدائرة السعوية. تتميز الخسائر في المواد العازلة في المجال المتناوب بفقدان العزل الكهربائي: tan δ=I a /I r.

يجب ألا تتجاوز القيم الحدية لظل فقدان العزل الكهربائي للعوازل عالية التردد (0.0001 - 0.0004)، وللعوازل منخفضة التردد - (0.01 - 0.02).

اعتمادات ε وtan δ على درجة الحرارة T والتردد ω

تعتمد المعلمات العازلة للمواد بدرجات متفاوتة على درجة الحرارة والتردد. لا يسمح لنا عدد كبير من المواد العازلة بتغطية ميزات جميع الاعتمادات على هذه العوامل.

لذلك، في الشكل. 2 (أ، ب) يصور الاتجاهات العامة المميزة لبعض المجموعات الرئيسية، أي. يتم إعطاء الاعتمادات النموذجية لثابت العزل الكهربائي ε على درجة الحرارة T (a) والتردد ω (b).

أرز. 2. الاعتماد على التردد للأجزاء الحقيقية (εʹ) والخيالية (εʺ) من ثابت العزل الكهربائي في وجود آلية استرخاء اتجاهية

ثابت العزل الكهربي المعقد.في ظل وجود عمليات الاسترخاء، فمن المناسب كتابة ثابت العزل الكهربائي في شكل معقد. إذا كانت صيغة ديباي صالحة للاستقطاب:

(3)

حيث τ هو وقت الاسترخاء، α 0 هو الاستقطاب الاتجاهي الإحصائي. ثم، بافتراض أن المجال المحلي يساوي المجال الخارجي، نحصل على (في SGS):

تظهر الرسوم البيانية لاعتماد εʹ و εʺ على المنتج ωτ في الشكل. 2. لاحظ أن الانخفاض في εʹ (الجزء الحقيقي من ε) يحدث بالقرب من الحد الأقصى لـ εʺ (الجزء التخيلي من ε).

هذا الاختلاف في εʹ و εʺ مع التردد هو مثال متكرر لنتيجة أكثر عمومية، والتي بموجبها εʹ(ω) على التردد يستلزم أيضًا اعتماد εʺ(ω) على التردد. في نظام SI، يجب استبدال 4π بـ 1/ε 0.

تحت تأثير المجال المطبق، تستقطب الجزيئات الموجودة في العزل الكهربائي غير القطبي، وتصبح ثنائيات أقطاب مع عزم ثنائي القطب مستحث μ و، يتناسب مع شدة المجال:

(5)

في العزل الكهربائي القطبي، يكون عزم ثنائي القطب للجزيء القطبي μ مساويًا بشكل عام لمجموع المتجه الخاص به μ 0 والمستحث μ ولحظات:

(6)

تتناسب شدة المجال التي تنتجها ثنائيات القطب مع عزم ثنائي القطب وتتناسب عكسيا مع مكعب المسافة.

بالنسبة للمواد غير القطبية، عادة ε = 2 – 2.5 ولا تعتمد على تردد يصل إلى ω ≈10 12 هرتز. يرجع اعتماد ε على درجة الحرارة إلى حقيقة أنه عندما تتغير، تتغير الأبعاد الخطية للمواد الصلبة وأحجام العوازل السائلة والغازية، مما يغير عدد الجزيئات n لكل وحدة حجم

والمسافات بينهما. استخدام العلاقات المعروفة من نظرية العوازل و=ن\μ وو و=ε 0 (ε - 1) ه،أين F- استقطاب المادة، بالنسبة للعوازل غير القطبية لدينا:

(7)

عندما E=const أيضًا μ و= const وتغير درجة الحرارة ε يرجع فقط إلى التغير في n، وهي دالة خطية لدرجة الحرارة Θ، والاعتماد ε = ε(Θ) خطي أيضًا. بالنسبة للعوازل القطبية، لا توجد تبعيات تحليلية، وعادة ما تستخدم العوازل التجريبية.

1) مع زيادة درجة الحرارة، يزداد حجم العازل، ويقل ثابت العزل قليلاً. يكون الانخفاض في ε ملحوظًا بشكل خاص خلال فترة تليين وذوبان العوازل غير القطبية، عندما يزيد حجمها بشكل ملحوظ. نظرًا للتردد العالي لتداول الإلكترون في المدارات (حوالي 10 15 – 10 16 هرتز)، فإن الوقت اللازم لإنشاء حالة توازن للاستقطاب الإلكتروني قصير جدًا ولا تعتمد نفاذية العوازل غير القطبية على تردد المجال في نطاق التردد الشائع الاستخدام (حتى 10 12 هرتز).

2) مع ارتفاع درجة الحرارة تضعف الروابط بين الأيونات الفردية مما يسهل تفاعلها تحت تأثير مجال خارجي وهذا يؤدي إلى زيادة استقطاب الأيونات وثبات العزل الكهربائي ε. نظرًا للوقت القصير اللازم لتحديد حالة الاستقطاب الأيوني (حوالي 10 13 هرتز، وهو ما يتوافق مع تردد الاهتزاز الطبيعي للأيونات في الشبكة البلورية)، فإن التغيير في تردد المجال الخارجي في نطاقات التشغيل التقليدية لم يحدث عمليًا التأثير على قيمة ε في المواد الأيونية.

3) يعتمد ثابت العزل الكهربائي للعوازل القطبية بقوة على درجة حرارة وتردد المجال الخارجي. مع زيادة درجة الحرارة، تزداد حركة الجزيئات وتقل طاقة التفاعل بينها، أي: يتم تسهيل اتجاههم تحت تأثير مجال خارجي - الاستقطاب ثنائي القطب وزيادة ثابت العزل الكهربائي. ومع ذلك، تستمر هذه العملية فقط حتى درجة حرارة معينة. مع زيادة أخرى في درجة الحرارة، تنخفض النفاذية ε. نظرًا لأن اتجاه ثنائيات القطب في اتجاه المجال يتم من خلال عملية الحركة الحرارية ومن خلال الحركة الحرارية، فإن إنشاء الاستقطاب يتطلب وقتًا طويلاً. هذه المرة طويلة جدًا لدرجة أنه في المجالات المتناوبة ذات التردد العالي، لا يتوفر لثنائيات الأقطاب الوقت لتوجيه نفسها على طول المجال، وتقل النفاذية ε.

منهجية قياس ثابت العزل الكهربائي

سعة المكثف. مكثفهو نظام مكون من موصلين (لوحتين) مفصولتين بمادة عازلة، يكون سمكهما صغيرًا مقارنة بالأبعاد الخطية للموصلات. على سبيل المثال، صفيحتان معدنيتان مسطحتان مرتبتان بالتوازي ومفصولتان بطبقة عازلة تشكلان مكثفًا (الشكل 3).

إذا أعطيت لوحات مكثف مسطح شحنات متساوية الحجم وإشارات متضادة، فإن شدة المجال الكهربائي بين الألواح ستكون ضعف شدة المجال للوحة واحدة:

(8)

حيث ε هو ثابت العزل الكهربائي للعازل الذي يملأ الفراغ بين الألواح.

الكمية المادية تحددها نسبة الشحن ستسمى إحدى لوحات المكثف بفارق الجهد Δφ بين ألواح المكثف سعة المكثف:

(9)

وحدة SI للقدرة الكهربائية – فاراد(F). مكثف بسعة 1 F له فرق جهد بين ألواحه يساوي 1 V عند نقل شحنات متباينة قدرها 1 C إلى الألواح: 1 F = 1 C/1 V.

سعة مكثف ذو لوحة متوازية.يمكن الحصول على صيغة حساب السعة الكهربائية للمكثف المسطح باستخدام التعبير (8). في الواقع، قوة المجال هي: ه= φ/εε 0 = ف/εε 0 س، أين س– مساحة اللوحة . بما أن المجال منتظم، فإن فرق الجهد بين ألواح المكثف يساوي: φ 1 – φ 2 = إد = ق.د/εε 0 س، أين د- المسافة بين اللوحات . بالتعويض في الصيغة (9)، نحصل على تعبير عن السعة الكهربائية للمكثف المسطح:

(10)

أين ε 0 - ثابت العزل الكهربائي للهواء؛ س- مساحة لوحة المكثف، S=hl، أين ح- عرض اللوحة، ل- طوله؛ د- المسافة بين لوحات المكثف .

يوضح التعبير (10) أنه يمكن زيادة السعة الكهربائية للمكثف بزيادة المساحة سأغطيتها، مما يقلل المسافة دبينها وبين استخدام العوازل ذات القيم الكبيرة لثابت العزل الكهربائي ε.

أرز. 3. مكثف مع عازل موجود فيه

إذا تم وضع لوحة عازلة بين لوحات المكثف، فإن سعة المكثف سوف تتغير. ينبغي النظر في خيار وضع لوحة عازلة بين لوحات المكثف.

دعنا نشير إلى: دج - سمك الفجوة الهوائية، دم - سمك اللوحة العازلة، ل B هو طول الجزء الهوائي للمكثف، ل m هو طول جزء المكثف المملوء بالعازل الكهربائي، ε m هو ثابت العزل الكهربائي للمادة. معتبرا أن ل = لفي + لم، أ د = دفي + دم، ثم يمكن النظر في هذه الخيارات للحالات التالية:

متى لفي = 0، دعند = 0 لدينا مكثف ذو عازل صلب:

(11)

من معادلات الديناميكا الكهربائية العيانية الكلاسيكية، بناءً على معادلات ماكسويل، يترتب على ذلك أنه عندما يتم وضع عازل في مجال متناوب ضعيف، يتغير وفقًا لقانون توافقي مع التردد ω، فإن موتر السماحية المعقد يأخذ الشكل:

(12)

حيث σ هي الموصلية الضوئية للمادة، εʹ هو ثابت العزل الكهربائي للمادة، المرتبط باستقطاب العازل الكهربائي. يمكن اختزال التعبير (12) إلى الشكل التالي:

(13)

حيث يكون المصطلح التخيلي مسؤولاً عن خسائر العزل الكهربائي.

عمليًا، يتم قياس C - سعة عينة على شكل مكثف مسطح. يتميز هذا المكثف بظل فقدان العزل الكهربائي:

tgδ=ωCR ج (14)

أو عامل الجودة:

س ج =1/ تانδ (15)

حيث R c هي المقاومة، وتعتمد بشكل أساسي على خسائر العزل الكهربائي. هناك عدد من الطرق لقياس هذه الخصائص: طرق الجسر المختلفة، والقياسات مع تحويل المعلمة المقاسة إلى فاصل زمني، وما إلى ذلك. .

عند قياس السعة C وظل فقدان العزل الكهربائي D = tanδ في هذا العمل، استخدمنا تقنية طورتها شركة GOOD WILL INSTRUMENT Co Ltd. تم إجراء القياسات على مقياس النفاذية الدقيق - LCR-819-RLC. يتيح لك الجهاز قياس السعة في نطاق 20 pF-2.083 mF، وظل الخسارة في نطاق 0.0001-9999 وتطبيق مجال متحيز. انحياز داخلي يصل إلى 2 فولت، وانحياز خارجي يصل إلى 30 فولت. دقة القياس 0.05%. تردد إشارة الاختبار 12 هرتز -100 كيلو هرتز.

في هذا العمل، أجريت قياسات على تردد 1 كيلو هرتز في نطاق درجة حرارة 77 كلفن< T < 270 К в нулевом магнитном поле и в поле 5 kOe. Образцы для измерений имели форму параллелепипеда с размерами 2*3*4 мм (х=0.1), где d = 2 мм – толщина образца, площадь грани S = 3*4 мм 2 .

من أجل الحصول على الاعتماد على درجة الحرارة، يتم وضع الخلية التي تحتوي على العينة في تدفق من سائل التبريد (النيتروجين) الذي يمر عبر مبادل حراري، ويتم ضبط درجة حرارته بواسطة المدفأة. يتم التحكم في درجة حرارة السخان بواسطة منظم الحرارة. تتيح لك ردود الفعل من مقياس درجة الحرارة إلى منظم الحرارة ضبط سرعة قياس درجة الحرارة أو تثبيتها. يتم استخدام المزدوج الحراري للتحكم في درجة الحرارة. في هذا العمل، تغيرت درجة الحرارة بمعدل 1 درجة / دقيقة. تتيح لك هذه الطريقة قياس درجة الحرارة بخطأ قدره 0.1 درجة.

يتم وضع خلية القياس مع العينة المرفقة بها في ناظم البرد للتدفق. يتم توصيل الخلية بمقياس LCR بواسطة أسلاك محمية من خلال موصل موجود في غطاء ناظم البرد. يتم وضع ناظم البرد بين قطبي المغناطيس الكهربائي FL-1. يتيح لك مصدر الطاقة المغناطيسي الحصول على مجالات مغناطيسية تصل إلى 15 كيلو أويل. لقياس شدة المجال المغناطيسي H، يتم استخدام مستشعر Hall المثبت حرارياً مع وحدة إلكترونية. لتحقيق الاستقرار في المجال المغناطيسي، هناك ردود فعل بين مصدر الطاقة ومقياس المجال المغناطيسي.

ترتبط القيم المقاسة للسعة C وظل الخسارة D = tan δ بقيم الكميات الفيزيائية المطلوبة εʹ و εʺ بالعلاقات التالية:

(16)

(17)

№	ج (الجبهة الوطنية)	إعادة (ε ')	تي (° ك)	تان δ	مراقبة الجودة	ايم (ε")	ω (هرتز)	σ (ω)
	3,805	71,66		0,075	13,33	5,375	10 3
	3,838			0,093
	3,86			0,088
	3,849			0,094
	3,893			0,106
	3,917			0,092
	3,951			0,103
	3,824			0,088
	3,873			0,105
	3,907			0,108
	3,977			0,102
	4,031			0,105
	4,062			0,132
	4,144			0,109
	4,24			0,136
	4,435			0,175
	4,553			0,197
	4,698			0,233
	4,868			0,292
	4,973			0,361
	5,056			0,417
	5,164			0,491
	5,246			0,552
	5,362			0,624
	5,453			0,703
	5,556			0,783
	5,637			0,867
	5,738			0,955
	5,826			1,04
	5,902			1,136

الجدول رقم 1. Gd x Mn 1-x S, (x=0.1).

المحاضرة رقم 19

1. طبيعة التوصيل الكهربائي للعوازل الغازية والسائلة والصلبة

ثابت العزل الكهربائي

ثابت العزل الكهربائي النسبي أو ثابت العزل الكهربائي ε- واحدة من أهم المعلمات الكهربائية العيانية للعازل الكهربائي. ثابت العزل الكهربائيε يصف كميًا قدرة العازل على الاستقطاب في مجال كهربائي، ويقيم أيضًا درجة قطبيته؛ ε هو ثابت لمادة عازلة عند درجة حرارة وتردد معينين للجهد الكهربائي ويظهر عدد المرات التي تكون فيها شحنة مكثف مع عازل أكبر من شحنة مكثف من نفس الحجم مع فراغ.

يحدد ثابت العزل قيمة السعة الكهربائية للمنتج (المكثف، عزل الكابل، وما إلى ذلك). بالنسبة للمكثف ذو اللوحة المتوازية، تكون السعة الكهربائية هي مع،Ф، معبرا عنها بالصيغة (1)

حيث S هي مساحة قطب القياس، m2؛ h هو سمك العازل الكهربائي m ومن الصيغة (1) يتضح أنه كلما زادت القيمة ε كلما تم استخدام العازل الكهربائي، كلما زادت السعة الكهربائية للمكثف الذي له نفس الأبعاد. بدورها، السعة الكهربائية C هي معامل التناسب بين الشحنات السطحية كيو كيه،المكثف المتراكم والجهد الكهربائي المطبق عليه

الغزل ش(2):

من الصيغة (2) يترتب على ذلك أن الشحنة الكهربائية كيو كيه،المتراكمة بواسطة المكثف يتناسب مع القيمة ε عازل. معرفة كيو كويمكن تحديد الأبعاد الهندسية للمكثف ε مادة عازلة لجهد معين.

دعونا نفكر في آلية تكوين الشحنة كيو كعلى أقطاب مكثف مع عازل وما هي المكونات التي تشكل هذه الشحنة. للقيام بذلك، نأخذ مكثفين مسطحين لهما نفس الأبعاد الهندسية: أحدهما به فراغ، والآخر به مساحة بين الأقطاب مملوءة بمادة عازلة، ونطبق عليهما نفس الجهد الكهربائي ش(رسم بياني 1). تتشكل شحنة على أقطاب المكثف الأول س0، على الأقطاب الكهربائية الثانية - كيو ك. بدوره، التهمة كيو كهو مجموع الرسوم س0و س(3):

تكلفة سيتم تشكيل 0 بواسطة المجال الخارجي E0 عن طريق تراكم شحنات الطرف الثالث بكثافة سطحية σ 0 على أقطاب المكثف. س- هذه شحنة إضافية على أقطاب المكثف، يتم إنشاؤها بواسطة مصدر جهد كهربائي للتعويض عن الشحنات المقيدة المتكونة على سطح العازل الكهربائي.

في عازل مستقطب بشكل منتظم، الشحنة سيتوافق مع الكثافة السطحية للشحنات المرتبطة σ . تشكل الشحنة σ حقلاً E сз، موجهًا مقابل الحقل E O.

يمكن تمثيل ثابت العزل الكهربائي للعازل المعني كنسبة الشحن كيو كمكثف مملوء بمادة عازلة للشحن س0نفس المكثف مع فراغ (3):

من الصيغة (3) يترتب على ذلك ثابت العزل الكهربائي ε - الكمية لا أبعاد لها، وبالنسبة لأي عازل فهي أكبر من الوحدة؛ في حالة الفراغ ε = 1. من المثال المعتبر أيضاً

يمكن ملاحظة أن كثافة الشحنة على أقطاب مكثف مزود بعازل كهربائي ε أضعاف كثافة الشحنة على أقطاب مكثف به فراغ، والفولتية عند نفس الفولتية لكليهما

المكثفات الخاصة بهم هي نفسها وتعتمد فقط على الجهد شوالمسافات بين الأقطاب الكهربائية (ه = ش / ح).

بالإضافة إلى ثابت العزل الكهربائي النسبي ε يميز ثابت العزل الكهربائي المطلق ε a، f/م، (4)

الذي ليس له أي معنى فيزيائي ويستخدم في الهندسة الكهربائية.

يسمى التغير النسبي في ثابت العزل الكهربائي εr مع زيادة في درجة الحرارة بمقدار 1 كلفن بمعامل درجة حرارة ثابت العزل الكهربائي.

ТКε = 1/ εr d εr/dT К-1 للهواء عند 20 درجة مئوية ТК εr = -2.10-6K-

يتم التعبير عن الشيخوخة الكهربائية في الطاقة الكهروضوئية على أنها انخفاض في εr مع مرور الوقت. والسبب هو إعادة تجميع المجالات.

ويلاحظ تغير حاد بشكل خاص في ثابت العزل الكهربائي مع مرور الوقت عند درجات حرارة قريبة من نقطة كوري. تسخين المواد الكهروضوئية إلى درجة حرارة أعلى من نقطة كوري والتبريد اللاحق يعيد εr إلى قيمته السابقة. يمكن تحقيق نفس استعادة ثابت العزل الكهربائي من خلال تعريض الكهروضوئي لمجال كهربائي ذي كثافة متزايدة.

بالنسبة للعوازل المعقدة - خليط ميكانيكي من مكونين مع εr مختلف في التقريب الأول: εrx = θ1 · εr1x · θ · εr2x، حيث θ هو التركيز الحجمي لمكونات الخليط، εr هو ثابت العزل الكهربائي النسبي لمكون الخليط.

يمكن أن يحدث الاستقطاب العازل نتيجة لما يلي: الأحمال الميكانيكية (الاستقطاب الانضغاطي في الكهرباء الانضغاطية)؛ التدفئة (الاستقطاب الحراري في الكهرباء الحرارية) ؛ الضوء (الاستقطاب الضوئي).

تتميز الحالة المستقطبة للعازل في المجال الكهربائي E باللحظة الكهربائية لكل وحدة حجم، والاستقطاب P، C/m2، والذي يرتبط بثابت العزل الكهربائي النسبي، على سبيل المثال: P = e0 (على سبيل المثال - 1)E، حيث e0 = 8.85∙10-12 ف/م. المنتج e0∙eг =e, F/m، يسمى ثابت العزل الكهربائي المطلق. في العوازل الغازية، على سبيل المثال، يختلف قليلاً عن 1.0، وفي السوائل والمواد الصلبة غير القطبية يصل إلى 1.5 - 3.0، وفي العوازل القطبية يكون له قيم كبيرة؛ في البلورات الأيونية، على سبيل المثال - 5-MO، وفي تلك التي تحتوي على شبكة بلورية بيروفسكايت تصل إلى 200؛ في مجال الطاقة الكهروضوئية على سبيل المثال - 103 وأكثر.

في العوازل غير القطبية، على سبيل المثال، تنخفض قليلاً مع زيادة درجة الحرارة؛ في العوازل القطبية، ترتبط التغييرات بغلبة نوع أو آخر من الاستقطاب؛ في البلورات الأيونية، تزداد؛ في بعض العزل الكهربائي الحديدي، عند درجة حرارة كوري تصل إلى 104 أو أكثر. التغيرات في درجات الحرارة على سبيل المثال تتميز بمعامل درجة الحرارة. وتتميز العوازل القطبية بانخفاض، على سبيل المثال، في مدى التردد حيث يكون الوقت t للاستقطاب مماثلاً لـ T/2.

معلومات ذات صله.

ثابت العزل الكهربائي- هذه إحدى المعالم الرئيسية التي تميز الخواص الكهربائية للعوازل الكهربائية. وبعبارة أخرى، فإنه يحدد مدى جودة العازل لمادة معينة.

توضح قيمة ثابت العزل الكهربائي اعتماد الحث الكهربائي في العازل على شدة المجال الكهربائي المؤثر عليه. علاوة على ذلك، فإن قيمتها لا تتأثر فقط بالخصائص الفيزيائية للمادة أو الوسط نفسه، ولكن أيضًا بتردد المجال. كقاعدة عامة، تشير الكتب المرجعية إلى القيمة المقاسة لحقل ثابت أو منخفض التردد.

هناك نوعان من ثابت العزل الكهربائي: المطلق والنسبي.

ثابت العزل الكهربائي النسبي يوضح نسبة الخواص العازلة (العازلة) للمادة قيد الدراسة إلى الخواص المماثلة للفراغ. وهو يميز الخصائص العازلة للمادة في الحالات الغازية أو السائلة أو الصلبة. أي أنه ينطبق على جميع المواد العازلة تقريبًا. عادة ما تكون قيمة ثابت العزل الكهربائي النسبي للمواد في الحالة الغازية في حدود 1. بالنسبة للسوائل والمواد الصلبة، يمكن أن تكون في نطاق واسع جدًا - من 2 إلى ما لا نهاية تقريبًا.

على سبيل المثال، يبلغ ثابت العزل الكهربائي النسبي للمياه العذبة 80، ويبلغ ثابت العزل الكهربائي النسبي عشرات أو حتى مئات الوحدات، اعتمادًا على خصائص المادة.

ثابت العزل الكهربائي المطلق هي قيمة ثابتة. وهو يصف الخصائص العازلة لمادة أو مادة معينة، بغض النظر عن موقعها والعوامل الخارجية المؤثرة عليها.

الاستخدام

يُستخدم ثابت العزل الكهربائي، أو بالأحرى قيمه، في تطوير وتصميم المكونات الإلكترونية الجديدة، وخاصة المكثفات. تعتمد الأبعاد المستقبلية والخصائص الكهربائية للمكون على قيمته. تؤخذ هذه القيمة أيضًا في الاعتبار عند تطوير دوائر كهربائية كاملة (خاصة في الإلكترونيات عالية التردد) وحتى

• تحديد شدة المجال الكهربائي في الفراغ؛
• يدخل في تعبيرات بعض قوانين الكهرومغناطيسية، بما في ذلك قانون كولوم، عند كتابته بشكل يتوافق مع النظام الدولي للوحدات.

يوفر ثابت العزل الكهربائي اتصالاً بين ثابت العزل النسبي والمطلق. يتم تضمينه أيضًا في تدوين قانون كولومب:

أنظر أيضا

ملحوظات

الأدب

روابط

مؤسسة ويكيميديا. 2010.

انظر ما هو "ثابت العزل الكهربائي" في القواميس الأخرى:

ثابت العزل الكهربائي- ثابت العزل الكهربائي - [Ya.N.Luginsky، M.S.Fezi Zhilinskaya، Yu.S.Kabirov. القاموس الإنجليزي-الروسي للهندسة الكهربائية وهندسة الطاقة، موسكو، 1999] موضوعات الهندسة الكهربائية، المفاهيم الأساسية مرادفات ثابت العزل الكهربائي... ...

- (التعيين e0) وهي كمية فيزيائية تشير إلى نسبة القوة المؤثرة بين الشحنات الكهربائية في الفراغ مع حجم هذه الشحنات والمسافة بينها. في البداية، كان هذا المؤشر يسمى DIELECTRIC... ... القاموس الموسوعي العلمي والتقني

ثابت العزل الكهربائي- ثابت العزل الكهربائي المطلق (لمادة متناحية)؛ صناعة ثابت العزل كمية عددية تميز الخواص الكهربائية للعازل وتساوي نسبة الإزاحة الكهربائية فيه إلى الجهد... ...

ثابت العزل الكهربائي- عرض حالة الكتابة الإلكترونية: engl. ثابت العزل الكهربائي؛ السماحية dielektrische Leitfähigkeit، f؛ ديليكتريزيتاتسكونستانتي، و؛ السماح، f rus. ثابت العزل الكهربائي، و؛ ثابت العزل الكهربائي ... Fizikos terminų žodynas

اسم قديم لثابت العزل الكهربائي (انظر ثابت العزل الكهربائي) ... الموسوعة السوفيتية الكبرى

ثابت العزل الكهربائي ε لبعض السوائل (عند 20 درجة مئوية)- المذيب ε اسيتون 21.5 بنزين 2.23 ماء 81.0 ... كتاب مرجعي كيميائي

ثابت العزل الكهربائي الأولي- - [Ya.N.Luginsky، M.S.Fezi Zhilinskaya، Yu.S.Kabirov. القاموس الإنجليزي الروسي للهندسة الكهربائية وهندسة الطاقة، موسكو، 1999] موضوعات الهندسة الكهربائية، المفاهيم الأساسية EN ثابت العزل الكهربائي الأولي ... دليل المترجم الفني

ثابت العزل الكهربائي النسبي- - [Ya.N.Luginsky، M.S.Fezi Zhilinskaya، Yu.S.Kabirov. القاموس الإنجليزي الروسي للهندسة الكهربائية وهندسة الطاقة، موسكو، 1999] موضوعات الهندسة الكهربائية، المفاهيم الأساسية EN السماحية النسبية ثابت العزل الكهربائي ... دليل المترجم الفني

ثابت عازل محدد- - [Ya.N.Luginsky، M.S.Fezi Zhilinskaya، Yu.S.Kabirov. القاموس الإنجليزي الروسي للهندسة الكهربائية وهندسة الطاقة، موسكو، 1999] موضوعات الهندسة الكهربائية، المفاهيم الأساسية EN قدرة التبادل المتزامنSIC ... دليل المترجم الفني

ثابت العزل الكهربائي- ثابت العزل الكهربائي المطلق؛ صناعة ثابت العزل الكهربائي كمية عددية تميز الخواص الكهربائية للعازل الكهربائي تساوي نسبة حجم الإزاحة الكهربائية إلى حجم شدة المجال الكهربائي ... المعجم التوضيحي للمصطلحات البوليتكنيكية

الثابت العازل (ثابت العزل الكهربائي) هي كمية فيزيائية تميز قدرة المادة على تقليل قوى التفاعل الكهربائي في هذه المادة مقارنة بالفراغ. وهكذا، dp يوضح عدد المرات التي تكون فيها قوى التفاعل الكهربائي في المادة أقل منها في الفراغ.

D.p هي خاصية تعتمد على بنية المادة العازلة. يتم استقطاب الإلكترونات والأيونات والذرات والجزيئات أو أجزائها الفردية والأجزاء الأكبر من أي مادة في المجال الكهربائي (انظر الاستقطاب)، مما يؤدي إلى تحييد جزئي للمجال الكهربائي الخارجي. إذا كان تردد المجال الكهربائي متناسبًا مع زمن استقطاب المادة، ففي نطاق تردد معين يوجد تشتت لعامل التشتت، أي اعتماد قيمته على التردد (انظر التشتت). تعتمد قوة المادة على الخواص الكهربائية للذرات والجزيئات وعلى ترتيبها النسبي، أي بنية المادة. لذلك، يتم استخدام تحديد التوصيل الكهربائي أو تغيراته حسب الظروف البيئية عند دراسة بنية المادة، وخاصة أنسجة الجسم المختلفة (انظر التوصيل الكهربائي للأنظمة البيولوجية).

المواد المختلفة (العوازل الكهربائية)، اعتمادًا على بنيتها وحالة تجميعها، لها قيم مختلفة لـ d.p. (الجدول).

طاولة. قيمة ثابت العزل الكهربائي لبعض المواد

ذات أهمية خاصة لأبحاث البيولوجيا الطبية هي دراسة D. و. في السوائل القطبية. الممثل النموذجي لها هو الماء، الذي يتكون من ثنائيات أقطاب موجهة في مجال كهربائي بسبب التفاعل بين شحنات ثنائي القطب والمجال، مما يؤدي إلى حدوث ثنائي القطب أو الاستقطاب الاتجاهي. تحدد القيمة العالية لـ dp للماء (80 عند t° 20°) الدرجة العالية لتفكك المواد الكيميائية المختلفة الموجودة فيه. المواد والذوبان الجيد للأملاح والمركبات والقواعد والمركبات الأخرى (انظر التفكك، الشوارد). مع زيادة تركيز المنحل بالكهرباء في الماء، تنخفض قيمة DP (على سبيل المثال، بالنسبة للإلكتروليتات أحادية التكافؤ، تنخفض DP الماء بمقدار واحد عندما يزيد تركيز الملح بمقدار 0.1 م).

تنتمي معظم الأجسام الحيوية إلى مواد عازلة غير متجانسة. عند تفاعل أيونات جسم بيولوجي مع مجال كهربائي، يكون لاستقطاب الواجهات أهمية كبيرة (انظر الأغشية البيولوجية). وفي هذه الحالة، يكون حجم الاستقطاب أكبر، كلما انخفض تردد المجال الكهربائي. نظرًا لأن استقطاب حدود الواجهة للبيول، أي كائن يعتمد على نفاذيته (انظر) للأيونات، فمن الواضح أن D. p الفعال يتحدد إلى حد كبير من خلال حالة الأغشية.

نظرًا لأن استقطاب جسم غير متجانس معقد مثل كائن بيولوجي له طبيعة مختلفة (التركيز، البنية الكلية، الاتجاه، الأيوني، الإلكتروني، وما إلى ذلك)، يصبح من الواضح أنه مع زيادة التردد يكون التغير في عامل التشتت (التشتت) حادًا أعربت. تقليديا، يتم تمييز ثلاث مناطق من تشتت التردد الديناميكي: تشتت ألفا (عند ترددات تصل إلى 1 كيلو هرتز)، وتشتت بيتا (التردد من عدة كيلو هرتز إلى عشرات ميجا هرتز) وتشتت جاما (ترددات أعلى من 10 9 هرتز)؛ في الكائنات الحية، لا يوجد عادة حدود واضحة بين مناطق التشتت.

مع تدهور الوظيفة، وحالة البيول، والجسم، يتناقص تشتت D. p عند الترددات المنخفضة حتى يختفي تمامًا (مع موت الأنسجة). عند الترددات العالية، لا تتغير قيمة dp بشكل ملحوظ.

يتم قياس D.p في نطاق واسع من الترددات، واعتمادًا على نطاق التردد، تتغير طرق القياس أيضًا بشكل كبير. عند ترددات تيار كهربائي أقل من 1 هرتز، يتم القياس باستخدام طريقة شحن أو تفريغ مكثف مملوء بمادة الاختبار. بمعرفة مدى اعتماد تيار الشحن أو التفريغ في الوقت المحدد، من الممكن تحديد ليس فقط قيمة السعة الكهربائية للمكثف، ولكن أيضًا الخسائر فيه. عند الترددات من 1 إلى 3 10 8 هرتز لقياس D. و. يتم استخدام طرق الرنين والجسر الخاصة، والتي تجعل من الممكن إجراء دراسة شاملة للتغيرات في الخصائص الديناميكية للمواد المختلفة بطريقة أكثر اكتمالا وشمولا.

في البحوث الطبية والبيولوجية، غالبا ما تستخدم جسور التيار المتناوب المتناظرة مع القراءة المباشرة للكميات المقاسة.

فهرس:التدفئة عالية التردد للمواد العازلة وأشباه الموصلات، أد. إيه في نيتوشيلا، م. -ل، 1959، ببليوجر. S Edunov B. I. و Fran k-K a m e-n e c k و y D. A. ثابت العزل الكهربائي للأجسام البيولوجية، Usp. بدني العلوم، المجلد 79، ق. 4، ص. 617، 1963، ببليوجر. الإلكترونيات وعلم التحكم الآلي في علم الأحياء والطب، عبر. من الإنجليزية، أد. P. K. أنوخينا، ص. 71، م، 1963، ببليوجر. E m e F. قياسات العزل الكهربائي، العابرة. من الألمانية، م.، 1967، ببليوجر.