مقاله بررسی دي الكتريك و كاربرد آن

دسته بندي : فنی و مهندسی » برق، الکترونیک، مخابرات
مقاله بررسي دي الكتريك و كاربرد آن در 67 صفحه ورد قابل ويرايش

مقدمه

فصل اول :

( 1 ـ 1 ) تعريف دي الكتريك

( 1 ـ 2 ) الكترو استاتيك

فصل دوم :

( 2 ـ 1 ) پلاريزاسيون دي الكترويكها

( 2 ـ 2 ) قابليت پلاريزاسيون اتمي

( 2 ـ 3 ) جامدات يوني

( 2 ـ 4 ) قابليت قطبي شدن وابسته به فركانس

( 2 ـ 5 ) ثابتهاي اپتيكي فلزات

فصل سوم :

( 3 ـ 1 ) گذردهي فضاي آزاد

( 3 ـ 2 ) گذردهي مختلط

( 3 ـ 3 ) اندازه گيري گذردهي

( 1 ـ 3 ـ 3 ) گذردهي نسبي de

( 2 ـ 3 ـ 3 ) اندازه گيري با استفاده از پل

( 3 ـ 3 ـ 3 ) سلولهاي اندازه گيري

( 4 ـ 3 ـ 3 ) روشهاي مدار تشديد

( 5 ـ 3 ـ 3 ) اندازه گيريهاي خط انتقال

( 6 ـ 3 ـ 3 ـ ) اندازه گيريهاي ميكرو موج

فصل چهارم :

( 4 ـ 1 ) قطبش پذيري

( 1 ـ 4 ـ 1 ) قطبش پذيري نوري

( 2 ـ 4 ـ 1 ) قطبش پذيري مولكولي

( 3 ـ 4 ـ 1 ) قطبش پذيري بين لايه اي

( 4 ـ 2 ) دسته بندي دي الكتريكها

( 4 ـ 3 ) مشكلات نظريه دي الكتريكها

فصل پنجم :

( 5 ـ 1 ) شكست دي الكتريكي

( 5 ـ 2 ) الكترونها در عايقها

( 5 ـ 3 ) سازو كار شكست

( 5 ـ 4 ) انواع سازو كارهاي اساسي شكست در جامدات دي الكتريك

( 1 ـ 5 ـ 4 ) شكست ذاتي

( 2 ـ 5 ـ 4 ) شكست حرارتي

(3 ـ 5 ـ 4 ) شكست تخليه اي

( 5 ـ 5 ) شكست در مايعهاي دي الكتريك

( 5 ـ 6 ) قدرت دي الكترويكي

( 1 ـ 5 ـ 6 ) عوامل مؤثر بر قدرت دي الكتريكي براي بلور خالص

فصل ششم :

( 6 ـ 1 ) پيرو الكتريسيته

( 6 ـ 2 ) پيزو الكتريسيته

( 6 ـ 3 ) فرو الكتريكها

( 1 ـ 6 ـ 3 ) طبقه بندي فرو الكتريكها


مقدمه

از زمانيكه آزمايشهاي ابتدايي روي الكتريسيته ساكن جهت منزوي كردن بار الكتريكي ساكن توسط مواد دي الكتريكي كه بار را به خارج هدايت نمي كنند ، صورت گرفته ، لزوم مطالعه مواد دي الكتريكي با توجه به نياز عملي به عايقها احساس گرديد . كهربا ، موم ، شيشه از جمله اولين مواد عايقي بودند كه كاربرد عملي داشتند . با ظهور جريان الكتريكي خواص اين مواد بايد بيشتر ، مطالعه مي شد تا براي مقاصد كاربردي مورد استفاده واقع شده و عكس العمل آنها نسبت به اعمال يك ميدان ، معين و
مشخص گردد . خواص عايقي در ماده را مي توان به قدرت دي الكتريكي تعريف
كرد .

از همان آغاز شناخت الكترو استاتيك توانايي مواد دي الكتريك در افزايش ذخيرة‌ باريك خازن شناخته شده بود . كاربرهاي جريان الكتريكي فركانس بالا در ارتباط با راديو ، تقاضاها را براي خازنهاي ظرفيت بالا ، قدرت شكست بالا و ابعاد كوچك افزايش داد . براي رسيدن به اين خواسته ها مواد در الكتريك زيادي آزمايش بر حسب قدرت دي الكتريك و گذردهي با توجه به كاربردشان در اين حوزه رده بندي شدند و تقاضا براي مواد بهتر افزايش يافت . در موفقيت آميز بودن هر نوع جستجو براي مواد جديد يا بهبود آنها در حوزة بخصوصي ، اطلاع از سازوگار اساسي كه در ارتباط با ويژگيهاي به خصوص آنهاست ، شرط اساسي است . اين كار نظريه دي الكتريك است كه با محاسبة رفتارها كروسكوپي بر حسب ساختمان مولكولي و اتمي ، ما را به اين آگاهيها مي رساند .

يك نظرية كامل، كه رفتار دي الكتريكي هر نوع ماده اي را در بر داشته باشد كار بينهايت دشوار است و احتمالاً هر گز امكان پذير نيست . با وجود اين « مدلهاي » نظريه دي الكتريكهاي كاربردي بر حسب فرضيات ساده شدة مجهزي بنا شده اند . با بكار بردن اين مدلهاي نظري ، خواص معيني كه با تغييرات پارامتريهايي كه با آزمايش مي توانند بررسي شوند ، پيش بيني مي شود . ميزان ساختمان اتمي يا مولكولي ماده بنا شده است ، موفق باشند مي تواند دانش لازم را جهت جستجو در محيطهاي الكتريكي مختلف مورد استفاده قرار گيرد . افزون بر اين ممكن است خواصي كه تاكنون توسط آزمايش مشاهده نشده اند پيش بيني شوند . بعنوان مثال در قرن نوزدهم ، نظريه هاي رفتار دي الكتريك ، امكان قطبش خود به خودي يا « فرو الكتريسيته » را پيش بيني كردند .

در صورتكيه تا سال 1935 اولين مادة فرو الكتريك كشف نشده بود .

بطور خلاصه براي درك كامل رفتار دي الكتريك به دانسته هاي نظري قبلي در جهت شروع بحث كاربرد عملي ، درك توسعه هاي جديد و محاسبة خواص غير عادي ماده مورد نياز است جهت فراهم كردن مبناي لازم براي بررسي مدلهاي نظري ، به واكنش نظريه الكترو ا ستاتيكي و آگاهي از اندازه گيري و پارامترهاي ماكروسكوپي نيازمنديم . در ابتدا نظرية الكترو استاتيك را مورد بررسي قرار مي دهيم .

سپس پلاريزاسيون در دي الكتريكها و قابليت پلاريزاسيون و جامدات دي الكتريك يوني را بررسي مي كنيم . بعد از آن به بررسي گذردهي و انواع آن پرداخته و سپس انواع قطبش پذيري شكست در مايعات دي الكتريك پرداخته و در آخر حالتهاي خاصي را كه به براي دي الكتريكها رخ مي دهد بررسي مي كنيم .




( 2 ـ 1 ) پلاريزاسيون ( قطبي شدن ) دي الكترويكها :

خواص جامدي الكتريك ناشي از پلاريزاسيون ايجاد شده بوسيلة ميدان الكتريكي است وقتيكه قوانين الكترو استاتيك براي مادة در حالت چگال بكار برده مي شود بايد به ميدان الكتريكي و پتانسيل الكتريكي يك تابع اضافه شود ، جامد مجموعة بزرگي از يونها و الكتروهاي والانس است و با هاديها را بر اساس يك جريان تقريباً آزاد بار الكتريكي و دي الكتريكها را بر اساس ظرفيت ناچيزي از الكترونهاي آزاد تشخيص

مي دهيم . در هاديها در اثر اعمال يك ميدان بارهاي آزاد دوبارة توزيع مي شوند تا ميدان دروني حذف گردد ، از اين رو بار خالص درن يك هادي تحت شرايط استاتيك صفر است .

حال مي خواهيم تأثير يك ميدان ماكروسكوپيك خارجي را روي مولكولهاي يك جسم دي الكترويك بررسي كنيم .

با توجه به اين كه مادة مورد نظر قطبي يا غير باشد دو نوع رفتار وجود دارد .

در يك مادة قطبي الكترونها نسبت به بارهاي مثبت هستند طوري توزيع شده اند كه هر مولكول داراي عمان دو قطبي دائمي نيست .

در يك مادة دي الكتريك قطبي ، هر مولكول داراي يك ميان دو قطبي دائمي p است كه از نحوة توزيع داخل بارهايش ناشي مي شود و در صورت نبودن يك ميدان الكتريكي خارجي امتداد همان مولكولهاي مختلف بصورت كاتوره اي بوده و جسم بطور كلي ميان دو قطبي ندارد ، در صورت حضور يك ميدان الكتريكي بر دو
قطبي هاي مولكولي گشتاوي اثر مي كند كه مي خواهد آن را به موازات ميدان قرار دهد . در واقع همسويي كل به دليل آثار بي نظمي ناشي اغتشاش گره هايي حاصل نمي شود و يك همسويي متوسط در راستاي ميدان بوجود مي آيد ، پس براي يك مادة دي الكتريك قطبي پلاريزاسيون P برابر است با :

(2 ـ 1 )

همچنين مي توانيم پلاريزاسيون را بصورت زير بيان كرد :

وقتي يك ميدان الكتريكي به يك دي الكتريك اعمال مي شود هر هسته با بار مايل است در جهت ميدان جابجا شود و ابر الكترونهاي مقيد در خلاف جهت ميدان جابجا مي شوند كه اين موضوع در شكل ( 2 ـ 1 ) نشان داده شده است . جابجايي نسبي با بردار مكاني كه مركز امر منفي را به هسته وصل مي كند ، تعيين مي شود بطوريكه نيرويي وارد بر هسته از طرف ميدان بار نيروي وارد بر هسته از طرف ابر الكتروني به تعادل برسند . در نتيجه يك ممان دو قطبي در هر اتم توليد
مي شود . يك مجموعه اي از ميانهاي دو قطبي القاء شده ، روي دو سطح دي الكتريكي بصورت آيه هاي منفي و مثبت بارها گسترش مي يابند بطوريكه بردار نرمال لايه هاي در جهت ميدان E است كه در شكل ( 2 ـ 1 ) نشان داده شده است . بار

( 3 ـ 3 ) اندازه گيري گذر دهي :

براي اندازه گيري گذر دهي ، روشهاي گوناگون وجود دارد ، كه به انتخاب يك روش خاص بايد توسط طبيعت نمونة مورد نظر و محدودة فركانس بكار رفته ، تعيين گردد . زيرا كه گذردهي دي الكتريكها با فركانس تغيير مي كند . اندازه گيري قسمت حقيقي گذر دهي نسبي ، ، با اندازه گيري تغيير ي كه در ظرفيت خازن ، به علت وارد كردن دي الكتريك بين دو جوشن آن بوجود مي آيد ، انجام مي گيرد . قسمت موهومي ، ، توسط اندازه گيري كه عامل اقلاف ناشي از وارد كردن عايق است ، بدست مي آيد .

( 1 ـ 3 ـ 3 ) گذدر دهي نسبي de :

يك روش سادة براي تعيين گذردهي نسبي dc ، يا اوليه ، بوسيله اندازه گيري ثابت زماني لازم براي تخلية باريك خازن از طريق يك مقاومت مشخص با وجود دي الكتريك و بدون حضور آن است .

يك خازن هوايي با ظرفيت و بدون اتلاف را بوسيله ولتاژ بادار مي كنيم . در زمان t=0 خازن به دو طرف يك مقاومت بزرگ R وصل مي شود . ودر زمان اختلاف پتانسيل دو سر مقاومت R را يادداشت مي كنيم . اين اختلاف پتانسيل را بوسيله يك وشتر با مقاومت داخلي بزرگ كه بطور موازي به R وصل است ،
اندازه گيري مي كنيم . مقدار R را بعنوان برايند خود مقاومت و مقاومت وشتر در نظر گرفته مي شود . اگر بنويسيم داريم :

( 3 ـ 6 )

كه به كمك آن بدست مي آيد . حال دي الكتريك را وارد خازن مي كنيم و زمان لازم را براي اينكه ولتاژ به مقدار V افت كند محاسبه مي كنيم . يعني .

( 3 ـ 7 )

كه در آن C ظرفيت جديد خازن و كل موازي مدار است . مقدار ذكر شده در بالا شامل اثر اتلاف در دي الكتريك مي باشد كه مي توان آنرا شبيه يك مقاومت موازي با C در نظر گرفت . بنابراين :

( 3 ـ 8 )

تعيين مقدار ضروري است .

با توج به اينكه معادلة ( 3 ـ 7 ) داراي دو مجهول است به معادلة ديگري هم نياز است . براي اين مورد از يك خازن هوايي با اتلاف ناچيز كه موازي با C وصل شده و تعيين زمان لازم براي اينكه ولتاژ ا به V افت كند ، استفاده مي كنيم و داريم :

( 3 ـ 9 )

كه با جايگذاري دو معادلة ( 3 ـ 7 ) مقدار پيدا مي شود .

اين روش براي حالتهايي است كه در آنها ثابت زماني را مي توان آنقدر بزرگ در نظر گرفت كه اندازه گيري آن ممكن باشد . در صورتكيه حاصلضرب در حدود چند هزارم ثانيه باشد ميدان با استفاده از يك اسيلومبكوپ اشعة كاتدي با صفحه ثبات طولاني كه بجاي ولتمتر به طور موازي با R است ، تخليه را مشاهده كرد .

دو روش ديگري كه توسط كول و كرل ابداع شد ، جريان شارژ خازني كه شامل
دي الكتريك است بررسي مي شود . جريان از مقدار اوليه است به مقدار ديگري كه وابسته به جريان نشتي است كاهش مي يابد كه نحوة آن توسط قطبي شدن عايق تعيين مي شود . اين نظريه بر پاية فرايند هاي واهلش بنا شده است . خازن را بطور سري به يك مقاومت كه با انتتخاب آن يك ثابت زماني مناسب بدست مي آيد ، متصل مي كنيم . يك روش اندازه گيري جريان ، توسط يك تقويت كنندة ولتاژ dc است كه به دو سر مقاومت وصل مي شود . جريان ، توسط يك تقويت كنندة طور جداگانه تعيين نمود ، مقدار جرياني است كه به پس از زمان طولاني در مقايسه با ثابت زماني ، برقرار خواهد شد . ظرفيت خازن هوايي بايد معلوم باشد .

( 2 ـ 3 ـ 3 ) اندازه گيري با استفاده از پل :

براي محدوده اي از فركانسهاي صوتي ( تا ) مي توان يكي از پلهاي ac را براي اندازه گيري گذردهي بكار برد . يكي از اين پلها ، « پل شرنيگ » است كه در شكل 3 ـ 1 نشان داده شده است و اغلب بكار گرفته مي شود زيرا براي فركانسهاي بالاتر مناسب است و از آن را مي توان براي خواندن مستقيم مدرج كرد .

شكل 3 ـ 1 . پل شرينگ

با نشان دهندة خازن محتوي دي الكتريك و R اتلاف دي الكتريكي آن است . و خازهاي مدرج شده و مقاومتهاي مساوي مي باشند . ظرفيت اتفاقي دو سر است كه در حال حاضر از آن صرفنظر مي كنيم.