Свойства полимерного диэлектрика в переменном электрическом поле на молекулярном уровне
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
Министерство образования и науки РФ
Государственное общеобразовательное учреждение
Высшего профессионального образования
Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых
Кафедра полимерных материалов
Свойства полимерного диэлектрика в переменном электрическом поле на молекулярном уровне
Выполнил:
ст.гр. ХП-107
Коноплева Н.С.
Проверил:
проф., д. т .н.
Чухланов В.Ю.
Владимир, 2011
Введение
Вплоть до конца двадцатого столетия электрические свойства известных полимеров представляли гораздо меньший интерес по сравнению со свойствами неорганических материалов. В то время как неорганические твердые тела могут быть полупроводниками или металлами (эти свойства практически целиком определяются электронной проводимостью), а также диэлектриками, распространенные полимеры практически целиком попадали в последнюю категорию. Отсутствие проводимости в полимерных диэлектриках позволяет обнаружить в них ряд более тонких электрических эффектов.
Параметрами, характеризующими поведение полимерного диэлектрика в переменном электрическом поле, являются диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических портерь. Чтобы получить более полную информацию о поведении полимерного диэлектрика в переменных электрических полях, исследуют зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических портерь. Получив такие зависимости, можно охарактеризовать молекулярную подвижность в полимере, определить концентрацию и величину диполей в полимере, найти функцию распределения диполей по временам релаксации.
Все это сделало исследование диэлектрических свойств ценным дополнением к данным о механических и термических свойствах структуры и инструментом для понимания поведения полимеров на молекулярном уровне.
1. Диэлектрическая проницаемость
Диэлектрическая проницаемость ? характеризует увеличение емкости конденсатора С при внесении в него диэлектрика по сравнению с емкостью того же конденсатора, у которого в качестве диэлектрика вакуум (С0):
? = С/С0-
Диэлектрическую проницаемость можно представить в виде комплексной величины ?*, состоящей из действительной ?" и мнимой ? частей:
где
Ток, текущий через конденсатор, в этом случае равен:
Активная составляющая тока:
Реактивная:
Диэлектрическая проницаемость ? - относительная диэлектрическая проницаемость (относительно диэлектрической проницаемости вакуума). Абсолютной диэлектрической проницаемостью (в системе СИ) является величина ?0?, где ?0 - электрическая постоянная (8,85410-12 Ф/м), иногда называемая диэлектрической проницаемостью вакуума.
Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов. Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов.
Ёмкость конденсаторов определяется:
где ?r - диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, ?о - электрическая постоянная, S - площадь обкладок конденсатора, d - расстояние между обкладками.
Параметр диэлектрической проницаемости учитывается при разработке печатных плат. Значение диэлектрической проницаемости вещества между слоями в сочетании с его толщиной влияет на величину естественной статической ёмкости слоев питания, а также существенно влияет на волновое сопротивление проводников на плате.
2. Диэлектрические потери
Диэлектрические потери характеризуют потери энергии при прохождении электрического тока через конденсатор с диэлектриком.
Если к диэлектрику приложено переменное электрическое поле с частотой f напряжение U которого изменяется синусоидально
, где ,
то заряд на обкладках конденсатора равен . Ток, текущий через конденсатор или
,
где Ip - реактивный ток (ток смещения).
Таким образом, ток Ip опережает напряжение на ?/2; т.е. на 90о.
При затрате некоторой энергии на переориентацию диполей (что эквивалентно появлению активной проводимости), а также при наличии активной проводимости диэлектрика появляется еще одна составляющая тока Ip, которая по фазе совпадает с напряжением. Векторная диаграмма токов и напряжений показана на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Диаграмма напряжений, токов, сопротивлений, компонент комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрика и её эквивалентная схема
Суммарный ток опережает напряжение на угол ?. Угол, дополнительный к этому углу, обозначают ? (? = 90 - ?) и называют углом диэлектрических потерь.
Потери энергии при прохождении тока через образец, который представляет собой конденсатор емкостью С, составляют:
где
Таким образом, диэлектрические потери пропорциональны тангенсу угла диэлектрических потерь , который равен
.
Тангенс угла диэлектрических потерь рассчитывают по формуле:
Конденсатор с диэлектриком, обладающим диэлектрическими потерями, можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из конденсатора той же емкости с диэле