Измерение электрофизических характеристик энергонасыщенных материалов Методические указания

всего диэлектрика Р. В поле Е потенциальная энергия диполя U находится по формуле:

где θ – угол между векторами μ и Е

При cosθ = 0 и соответственно U = 0, не дают вклада в суммарный индуцированный момент объема. Поэтому при подсчете потенциальной энергии дипольных молекул в электрическом поле учитываются ориентации по полю и против поля. Для молекул, дипольные моменты которых ориентированы по полю (θ = 0),

(15)

Для молекул, ориентированных против поля (θ =π),

(16)

Внешнее поле изменяет число диполей, ориентированных в различных направлениях. Числа молекул, диполи которых ориентированы вдоль направления внешнего поля и в противоположном направлении, различны. Избыточная концентрация

где Δn – избыточная концентрация молекул ориентированных вдоль электрического поля; k – постоянная Больцмана; T – температура диэлектрика.

Тогда поляризованность диэлектрика:

(18)

Молекулу полярного диэлектрика можно характеризовать ориентационной поляризуемостью α0, которая определяется

пропорциональна квадрату дипольного момента молекулы. По порядку величины при комнатной температуре α0 ≈10-28 м3.

Ориентационная поляризация инерционна и, хотя она преобладает для полярных диэлектриков в постоянных и медленно изменяющихся электромагнитных полях, ее практически можно не учитывать уже для самой длинноволновой части оптического диапазона. Когда (Μf » kТ), все дипольные моменты выстраиваются вдоль внешнего поля и дальнейшее его увеличение уже не изменяет

11

поляризованности диэлектрика. Поляризованность достигает насыщения. Значение поляризованности в этом состоянии зависит только от значения дипольного момента молекулы и от концентрации молекул N.

Естественно, в полярных диэлектриках все три механизма поляризации (два механизма деформационных и один ориентационный) проявляются одновременно:

3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Измерение диэлектрических свойств осуществляляется с использованием диэлектрического спектрометра «NOVOCONTROL CONCEPT-80» (рис. 2) в широком диапазоне частот от 10-2 до 107 Гц.

Рис. 2. Схема диэлектрического спектрометра «NOVOCONTROL

CONCEPT-80»

12

Установка состоит из: источника питания, частотного анализатора импеданса ALPHA ANALISER (низко- и высокочастотный анализатор), вакуум-насоса, измерительной ячейки

(НР 4291 и Alpha Active Sample Cell), системы термостатирования Novocool Cryosystem (криостат QUATRO Cryosystem), и сосуда Дьюара с системой испарения и подачи газообразного азота. Измерения электрофизических свойств можно производить в диапазоне от -150 ÷ +300 0С. Комплекс лицензионного программного обеспечения (программы WinDETA, WinFIT), позволяет проводить измерения и сбор данных в автоматическом режиме, а также последующую обработку результатов эксперимента.

С помощью диэлектрического спектрометра можно измерить в широком диапазоне температур и частот: комплексное значение диэлектрической проницаемости, ёмкости, удельного электрического сопротивления, удельной проводимости, тангенса угла диэлектрических потерь.

Спектрометр позволяет определить, является ли измеряемое вещество полярным или неполярным.

Комплексное значение диэлектрической проницаемости есть сумма реальной диэлектрической проницаемости и мнимой диэлектрической проницаемости:

где * - комплексное значение диэлектрической проницаемости; ' -

характеризует измеряемую физическую величину, т.е. все величины в физике – действительные, а мнимая часть учитывает потери энергии электрического поля в результате колебания постоянных и индуцированных диполей, которое сопровождается нагревом горной породы, из-за трения колеблющихся диполей.

Если в веществе происходит только атомная и электронная поляризация, то мнимая составляющая диэлектрической проницаемости стремиться к нулю. Появление такой величины как комплексная диэлектрическая проницаемость * связано с тем, что при расчетах напряженностей электрических полей удобно пользоваться комплексной величиной напряженности электрического поля Е0еiωt, чем тригонометрическими формулами. Это связано с тем, что ток смещения связанных зарядов (в том числе диполей) сдвинут по фазе относительно напряженности источника. Как следствие, использование

13

комплексной величины напряженности поля, согласно формуле (6) приводит к комплексному значению диэлектрической проницаемости, состоящей из действительной или реальной и мнимой частей.

Отношение мнимой и действительных компонент диэлектрической проницаемости приводит к величине тангенса угла потерь:

где – δ – угол диэлектрических потерь, связанный со сдвигом фаз напряжения и тока смещения следующим выражением:

где – φ – угол сдвига фаз между током смещения и напряжением источника.

Удельное электрическое сопротивление, ещё одно важное свойство горных пород связано с мнимой частью диэлектрической

диэлектрической проницаемости обратно пропорциональна величине удельного сопротивления, а это означает, что чем меньше величина удельного сопротивления, тем больше ток связанных и свободных зарядов в диэлектрике. Следовательно, мнимая электрическая проницаемость тем больше, чем больше ток в диэлектрике.

4. ПРИМЕНЕНИЕ

Диэлектрические измерения ЭНМ позволяют оценить опасность обращения с ЭНМ с точки зрения вероятности возникновения электрического разряда. Установлено, что величина приобретенного порошкообразным или сплошным материалом электрического заряда по тому или иному механизму электризации изменяется с течением времени по определенным законам. Явление понижения величины заряда во времени называется релаксацией зарядов.

14

Электризуемость материалов и вероятность электрического разряда определяется периодом релаксации связанных зарядов τ. Период релаксации характеризует время в течение которого электрические заряды на поверхности диэлектрика уменьшаются в "е" раз (здесь "е" – основание натурального логарифма) по сравнению с мах плотностью зарядов в двойном электрическом слое:

Чем больше период релаксации, тем меньше скорость нейтрализации накопленных зарядов. А электризация – это процесс накопления электрических зарядов. Таким образом, на поверхности диэлектрика происходит одновременно два конкурирующих процесса: образование новых электрических зарядов и их нейтрализация. Если скорость нейтрализации превышает скорость образования зарядов, материал не будет склонен к электризации, в противном случае материал будет сильно электризуемым. С увеличением времени релаксации уменьшается скорость нейтрализации и наоборот. Таким образом, по величине времени релаксации можно судить об электризуемости материала:

Если период релаксации меньше или равен продолжительности технологической операции, в результате которой вещество подвергается механическому воздействию, то заряд будет уменьшаться быстрее, чем накапливаться и сток зарядов через заземление будет снижать уровень электризации до безопасных значений. Если же период релаксации больше, чес продолжительность технологической операции, то заряды будут быстрее накапливаться на поверхности, чем электризоваться, и в итоге заземление оборудования будет недостаточно для снижения уровня электризации до безопасных значений.

Времена релаксации для химически чистых ЭНМ не превышают 25 мин, в зависимости от добавок, таких как нитрата аммония оно может составлять менее 1 минуты. Полное время релаксации многих ЭНМ достигает 40-60 мин. Типичная кривая представлена на рис. 3.

Наличие явления релаксации электрических зарядов в ЭНМ связывают со следующими обстоятельствами:

- изменением во времени дефектной структуры кристаллов при протекании в них процессов последействия;

15

-нейтрализацией электрических зарядов противоположно заряженными ионами из окружающей среды:

-протеканием газоразрядных процессов с поверхностей кристаллов.

φ

Лабораторная работа Определение периоды релаксации электрических зарядов

на поверхности энергонасыщенных материалов

Цель работы: научиться измерять комплекс диэлектрических характеристик энергонасыщенных материалов, освоить принципы работы измерительной техники. Научиться рассчитывать диэлектрическую проницаемость смеси диэлектриков.

Перечень терминов: диэлектрическая проницаемость, реальная и мнимая диэлектрическая проницаемость, тангенс угла потерь, удельное электрическое сопротивление, поляризация диэлектриков.

16

Оборудование, приборы, приспособления и материалы:

Широкополосный диэлектрический спектрометр «NOVOCONTROL CONCEPT-80», измерительная ячейка, неполярные диэлектрические кристаллические материалы, полимерные пленки.

Ход работы:

1.Изучить инструкции и ознакомиться с порядком работы на оборудовании и приборах (в лаборатории кафедры ТТХВ инструкции

№1677).

2.Приготовить образцы для измерения электрофизических характеристик: взять навески ЭНМ по 0,2 г пять образцов (по заданию преподавателя).

3.Приготовить пленочные образцы толщиной от 0,1 до 2 мм, вырезыанных из соответствующих листовых материалов.

4.Измерение образцов. Поместить навески в измерительную ячейку и провести их измерение на диэлектрическом спектрометре «NOVOCONTROL CONCEPT-80»

5.Обработка результатов измерений - произвести расчет по формуле 29.

6.Получить результаты измерений в виде таблиц со

значениями реальной диэлектрической проницаемости, мнимой диэлектрической проницаемости, удельного электрического сопротивления, тангенса угла диэлектрических потерь и при соответствующих частотах.

7. Ввести экспериментальные данные в Excel и произвести расчет среднего арифметического, среднеквадратичного и абсолютной погрешности измерений для каждого из параметров.

Таблица

Электрофизические параметры измеряемого образца

17

8. После получения среднего арифметического значения Eps’ medium для каждого из параметров,рассчитать усредненное значение периода релаксации по формуле (28).

9. Проанализировать полученные результаты, сделать выводы.

Содержание отчета:

1.Название и цель лабораторной работы.

2.Теоретические сведения по теме лабораторной работы.

3.Результаты экспериментальных испытаний.

4.Расчет и обработка результатов испытаний.

5.Анализ и обсуждение полученных результатов.

6.Выводы по работе.

Вопросы для контроля:

1.Мнимая и реальная части диэлектрической проницаемости.

2.Тангенс угла потерь.

3.Взаимосвязь диэлектрической проницаемости компонентов и их смесей.

4.Взаимосвязь удельной проводимости и диэлектрических потерь.

5.Принцип работы диэлектрического спектрометра и др.

6. Взаимосвязь реальной и диэлектрической проницаемости.

7.Понятие комплексной диэлектрической проницаемости.

8.Взаимосвязь реальной диэлектрической проницаемости и амплитуды колебаний молекул.

9.Что такое поляризация диэлектрика?

10.Механизмы поляризации диэлектриков во внешнем электрическом поле.

Список литературы

1.Гусев Ю.А. Основы диэлектрической спектроскопии: уч. пособие / Ю.А. Гусев. - Казань, 2008. - 112 с.

2.Цирельсон, В.Г. Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые тела: учебное пособие / В. Г. Цирельсон. – М.:

БИНОМ, 2010. – 496 с.

3.Гольдаде В.А. Физика конденсированного состояния: учебное пособие. / В.А. Гольдаде, Л.С. Пинчук: Беларусская наука,

2009. – 648 с.

4.Байков Ю.А. Физика конденсированного состояния: учебное пособие / Ю.А. Байков, В.М. Кузнецов. - М.: БИНОМ, 2011. - 296 с.

18

5.Бабкин Е.В. Основы физики конденсированного состояния вещества: учебное пособие / Е.В. Бабкин, - 2007. – 228с.

6.Епифанов, Г.И. Физика твердого тела: учеб. пособие / Г.И. Епифанов - 4-е изд., - Краснодар: Лань, - 2011. – 288 с.

7.Тареев Б. М. Физика диэлектриков: учебное пособие / Б. М. Тареев. - Москва: Энергоиздат, - 1982 – 320 с.

8.Особенности диэлектрических свойств диазосоединений / Н.А. Кирющенкова, Т.Н. Исхаков, Т.Б. Гильманова, Р.З. Гильманов, В.Я. Базотов, В.Г. Джангирян // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - №2. - С. 96-97.

9.Особенности электрофизических свойств пентаэритриттетранитрата / Н.А. Кирющенкова, Т.Н. Исхаков, В.Я. Базотов, В.Г. Джангирян, Д.В. Фадеев // Боеприпасы и высокоэнергетические конденсированные системы. - 2015. - №1. -

С. 46-50.

10. Фрёлих Г. Теория диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери: пер. с англ. / Г. Фрёлих. - М.: Изд-во иностранной литературы, - 1960 - 251с.

11. Фахльман, Б.Д. Химия новых материалов и нанотехнологии: уч. пособие / Б.Д. Фахльман: Долгопрудный интеллект, - 2011. – 464 с.

19

Ответственный за выпуск Н. Б. Иванов

Издательство Казанского национального исследовательского технологического университета

Отпечатано в офсетной лаборатории Казанского национального исследовательского технологического университета

420015, Казань, К. Маркса, 68

20