ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Диэлектрические измерения - определение диэлектрических характеристик материалов, таких как диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери; помимо электротехнических измерений могут применяться в аналитической химии в различных областях, например для определения содержания влаги, для определения чистоты соединений, анализа бинарных и других систем и т. д.

Явления, происходящие в помещенном в электрическое поле веществе, могут быть описаны с позиций двух теорий: электротехнической и молекулярной.

Электротехническая теория. Идеальный конденсатор без потерь (например, вакуумный) характеризуется в цепях переменного тока сдвигом по фазе на 90° между током и напряжением (емкостной ток опережает напряжение в конденсаторе). Такой конденсатор потребляет лишь чисто реактивную мощность.

Если конденсатор, имевший в вакууме емкость С ₀, заполнить каким-либо веществом, то емкость возрастает в e раз, где e - относительная диэлектрическая проницаемость вещества:

.

Конденсатор представляет собой в общем случае две металлические пластины (обкладки), разделенные слоем диэлектрика. Его емкость определяется соотношением

,

где S - площадь обкладок;

d - расстояние между обкладками;

e₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85×10^-12 Ф/м).

Произведение ee₀ называется абсолютной диэлектрической проницаемостью вещества. Для практических приложений обычно представляет интерес лишь относительная диэлектрическая проницаемость.

В реальных диэлектриках, помещенных в электрическое поле, имеют место активные потери энергии, и угол сдвига фаз между током и напряжением оказывается меньше 90°. Для характеристики потерь используют понятие «угол потерь» d = 90° - j, где j - угол сдвига фаз между током и напряжением для конденсатора с потерями.

Эквивалентная схема конденсатора с потерями приведена на рис. 4.1. Согласно эквивалент ной схеме конденсатора с потерями, тангенс угла диэлектрических потерь равен

,

где f - частота переменного тока.

Молекулярная теория. Различные вещества в зависимости от их молекулярного строения можно разделить на две группы:

1) неполярные соединения, т. е. вещества, у которых при отсутствии внешнего электрического поля центры положительных и отрицательных зарядов совпадают;

2) полярные соединения - вещества, у которых при отсутствии внешнего электрического поля центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

При наличии внешнего электрического поля в неполярных веществах происходит деформационная поляризация, или поляризация сдвига (смещение положительных и отрицательных зарядов, т. е. индуцирование дипольного момента), а в полярных веществах - ориентационная поляризация (ориентирование диполей под действием электрического поля). Результирующая молярная поляризация обусловлена ориентационной и деформационной поляризациями. Эти процессы описываются комплексной диэлектрической проницаемостью:

,

где e^¢_∞ - диэлектрическая проницаемость при высоких частотах;

e^¢₀ - диэлектрическая проницаемость при w ® 0;

w = 2pf - круговая частота;

t - время релаксации;

;

e^¢ - активная составляющая диэлектрической проницаемости;

e^² - реактивная составляющая диэлектрической проницаемости.

Активная составляющая комплексной диэлектрической проницаемости соответствует относительной диэлектрической проницаемости, а реактивная составляющая характеризует поглощение энергии в веществе и называется коэффициентом диэлектрических потерь. Составляющие комплексной диэлектрической проницаемости и тангенс угла потерь связаны соотношением

Активная и реактивная составляющие комплексной диэлектрической проницаемости зависят от частоты (рис. 4.2.). Активная составляющая при постоянном токе или низких частотах сохраняет некоторое квазистатическое значение; при дальнейшем росте частоты, когда период электрического поля становится соизмерим со временем релаксации, диэлектрическая проницаемость уменьшается; при дальнейшем росте частоты она приближается к новому постоянному значению, называемому высокочастотной диэлектрической проницаемостью, которая определяется величиной показателя преломления ().

В квазистатической области постоянные диполи успевают следовать за переменным полем. В области частот, где диэлектрическая проницаемость начинает уменьшаться с ростом частоты (начало области аномальной дисперсии), это синфазное следование диполей за электрическим полем нарушается. В области высоких частот ориентационная поляризация пропадает, остается лишь изменяющаяся под действием электрического поля деформационная поляризация. Коэффициент диэлектрических потерь в областях низких и высоких частот незначителен. Он резко возрастает в области аномальной дисперсии и достигает максимума в точке перегиба дисперсионной кривой.

Время, в течение которого ориентационная поляризация уменьшается в е раз после отключения поля, называется временем релаксации, т. е. это время является постоянной времени затухания ориентационной поляризации. Если молекула имеет сложную форму, например эллипсоидальную, то для каждой из трех осей эллипсоида есть свое время релаксации. Когда эти времена разнятся значительно, то на дисперсионных кривых хорошо заметны три области аномальной дисперсии, если же времена релаксации близки, то дисперсионная область оказывается размытой.

Измерение диэлектрических свойств. На практике измерения диэлектрических характеристик материалов проводят либо при фиксированной частоте, достаточно низкой, чтобы измерения велись до области аномальной дисперсии, либо измеряют комплексную диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь в широком диапазоне частот. Выбор диапазона определяется конкретной задачей.

Измерения относительной диэлектрической проницаемости веществ обычно сводятся к расчетам по измеренной емкости конденсатора с веществом и известным геометрическим размерам конденсатора.

В настоящее время для измерений емкости и тангенса угла потерь чаще используют универсальные цифровые измерители, в основу работы которых положен, например, интегрирующий метод измерения со вспомогательным опорным напряжением. Напряжение рабочей частоты с генератора подается на измеряемый конденсатор, подключенный к преобразователю, формирующему два напряжения, одно из которых пропорционально току через конденсатор, другое – напряжению на нем. Работой прибора управляет микро-ЭВМ, которая проводит расчет измеряемого параметра и выводит результат на дисплей.

Измерение диэлектрических свойств жидкостей. Для измерения диэлектрической проницаемости жидкостей используются ячейки в виде плоских или цилиндрических конденсаторов. Для лучшего экранирования предпочтительно применение металлических ячеек. Измерительные ячейки должны термостатироваться для того, чтобы температурная зависимость диэлектрической проницаемости не вносила погрешности в измерения.

Измерительные ячейки должны калиброваться эталонными жидкостями с точно известной диэлектрической проницаемостью. Эталонные жидкости должны быть определенной чистоты (ч.д.а.), иметь малую проводимость и малый тангенс угла потерь, причем данные жидкости должны быть выбраны так, чтобы в частотной области измерений не достигалась область аномальной дисперсии. Желательно также, чтобы изменения диэлектрической проницаемости с частотой были по возможности малы.

Лишь немногие химические вещества удовлетворяют всем этим условиям и могут быть использованы в качестве эталонных жидкостей. Обычно это циклогексан, четыреххлористый углерод, бензол, дибутиловый эфир, хлорбензол, ацетон, этиленхлорид, бензиловый спирт, нитробензол и диминерализованная вода.

Для определения абсолютного значения диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости необходимо произвести калибровку измерительной ячейки для определения емкости пустой ячейки и паразитной емкости подводящего монтажа. Существует несколько различных методов калибровки измерительных ячеек. Рассмотрим некоторые из них.

Наиболее простым является метод построения калибровочной кривой в координатах «диэлектрическая проницаемость – емкость ячейки», однако обычный размер калибровочных графиков не позволяет полностью использовать чувствительность измерительных устройств.

Метод градуировочной кривой обеспечивает наиболее точную емкостную калибровку, которая осуществляется с помощью образцовых емкостей. Для определения значения емкости пустой ячейки С _п и емкости проводов подводящего монтажа С _м берут два калибровочных вещества с диэлектрическими проницаемостями e₁ и e₂, охватывающими требуемый диапазон измерений. По полученным данным вычисляют значения С _п и С _м исходя из условия:

;

;

,

где С₁₍₂₎ – емкость ячейки, заполненной жидкостью с диэлектрической проницаемостью e₁₍₂₎.

По известным значениям емкости пустой ячейки и емкости подводящего монтажа вычисляют диэлектрическую проницаемость неизвестного вещества e_х:

.

Методы калибровки измерительных ячеек требуют точно определенных эталонных проб. Для абсолютных измерений диэлектрической проницаемости необходимо, чтобы имелась возможность точно изменять рабочую емкость измерительной ячейки. В абсолютном методе используется ячейка с подвижным электродом (рис. 4.3).

Внутренний электрод может быть зафиксирован в двух положениях, которым соответствуют два значения рабочей емкости С _п1 и С _п2. При заполнении ячейки исследуемой пробой измеряют емкость при двух положениях внутреннего электрода. Диэлектрическую проницаемость пробы рассчитывают по формуле

.

Влияние паразитной емкости монтажа при этом исключается.

Измерение диэлектрической проницаемости порошков. Диэлектрическую проницаемость порошков обычно измеряют для чисто практических целей, например, при изучении свойств наполнителей для изоляционных материалов, хотя подобные измерения позволяют иногда анализировать структуру, определять влагосодержание и т.д. Существует два метода определения диэлектрической проницаемости порошков: погружения и прямого измерения.

Метод погружения основан на измерении изменения диэлектрической проницаемости после внесения исследуемого порошка в ряд жидких смесей с известной диэлектрической проницаемостью до достижения равенства диэлектрической проницаемости порошка и жидкости, в которую он погружается. В качестве измерительной ячейки обычно используется цилиндрический конденсатор (рис 4.4.), поскольку такая конструкция позволяет работать даже с осевшим порошком. В верхней части ячейки предусмотрено расширение для жидкости, вытесненной порошком.

В измерительную ячейку заливают жидкость, определяют емкость, затем в эту жидкость вносят определенное количество порошка и снова определяют емкость. Так как вероятность равенства диэлектрической проницаемости жидкости и порошка невелика, то после внесения порошка емкость либо увеличится, либо уменьшится. Находят разность двух измерений и из полученной разности делают вывод о требуемом изменении диэлектрической проницаемости жидкости для ее приближения к искомой диэлектрической проницаемости порошка. Затем опыт повторяют. В данном случае целесообразно работать с бинарными смесями жидкостей с различными значениями диэлектрической проницаемости. Работа продолжается до тех пор, пока разность двух измерений не изменит знак. Результаты заносят в таблицу, а диэлектрическую проницаемость порошка определяют с помощью графического построения (рис. 4.5).

По графику определяют состав жидкости, когда разность измерений равна нулю. Проницаемость жидкости данного состава будет равна проницаемости порошка.

Можно использовать другой способ. Измерительная ячейка поочередно заполняется жидкостями с различными диэлектрическими проницаемостями, и строится график «диэлектрическая проницаемость – емкость». После этого ячейка вновь поочередно заполняется теми же жидкостями, но при этом в нее каждый раз дополнительно вносится фиксированная навеска исследуемого порошка. Измеренные значения наносят на график. Точка пересечения двух кривых соответствует диэлектрической проницаемости порошка.

Применение описанных методов ограничивается порошками, для которых могут быть составлены жидкости с такой же, как у порошка, диэлектрической проницаемостью. В ряде случаев можно также пользоваться методом экстраполяции.

Измерение диэлектрических свойств твердых тел. Измерениями диэлектрических свойств твердых тел занимаются в более крупных масштабах, чем исследованиями порошков, например, их используют при испытаниях изоляционных материалов, для структурных физико-химических исследований, определения температурных характеристик, наличия примесей или влагосодержания и др.

Существуют две основные методики измерений:

1) проба вводится в измерительный участок и располагается между электродами определенного геометрического размера;

2) на пробу наносятся электроды соответствующих размеров.

При измерениях по первой методике необходимо ограничивать и контролировать прижимные усилия, строго соблюдать плоскопараллельность пробы, исключать воздушные зазоры между электродами и образцом. Для того чтобы ошибка измерения диэлектрической проницаемости не превышала 1%, воздушный зазор должен быть меньше 0,01× l / e (где l – толщина образца, e - диэлектрическая проницаемость образца). Ошибки измерения, вызываемой воздушным зазором, можно избежать, если с помощью соответствующего устройства приложить к образцу ртутные электроды.

Во втором методе электроды наносятся непосредственно на образец с помощью проводящих паст методами вжигания, электрохимическими методами или методами вакуумного осаждения. Применение того или иного метода зависит от химических свойств исследуемого образца. Например, хорошие результаты дает растирание графита в воде при добавлении 0,5% декстрина (при условии, что образец с водой не взаимодействует).

Достаточно универсальным средством является нанесение на образец тонкой металлической фольги. Для этого, например, хорошо подходят золотая фольга или тонкая алюминиевая, применяемая в конструкции ряда конденсаторов. Пластины нужного размера вырезают из фольги, покрытой слоями бумаги, или штампуют. Такая фольга хорошо прилипает к образцам и держится на них достаточно прочно. Она должна наноситься без воздушных включений, что достигается, например, прокатыванием нажимным резиновым роликом.

При проведении подобных измерений появляется еще ряд возможных ошибок. Конденсатор кроме однородного внутреннего поля имеет неоднородное на концах. Это краевое поле определяется толщиной и диэлектрической проницаемостью образца и может вносить существенные погрешности в результаты измерений. Вредное влияние краевого поля на емкость рабочего измерительного участка устраняется введением защитного кольца (рис.4.6).

При этом рабочий электрод 1, имеющий значительный потенциал относительно земли, окружен кольцом 3. Оно связано с узлом измерительного моста, который имеет потенциал, равный потенциалу измерительного электрода 1 (2 - электрод заземлителя). Защитное кольцо устраняет влияние краевых эффектов, и при его использовании измерения проводят практически в идеальном однородном поле. При измерении очень тонких образцов краевыми эффектами можно пренебречь и не использовать защитное кольцо.

Поиск по сайту: