Навигация
Историческая справка и понятие диэлектрической проницаемости
39753
знака
0
таблиц
9
изображений
2.1. Историческая справка и понятие диэлектрической проницаемости.
Первыми работами, которые послужили основой для использования методов измерения диэлектрической проницаемости, были работы химика Друде (1897), в которых была установлена эмпирическая связь между строением молекул и диэлектрическими потерями, и Дебая (1925-1929), установившего связь между величиной диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь со строением молекул.
Первым аналитическим применением измерений диэлектрической проницаемости было определение содержания влаги (Берлинер, Рютер,1929) в органических соединениях. Позднее были разработаны методы определения чистоты органических соединений, методы анализа бинарных органических систем и в 1950–1960 гг. впервые были опубликованы методы диэлектрометрического титрования органических систем.
Следует отметить, что методы диэлектрометрии разработаны главным образом применительно к анализу непроводящих органических систем, что не исчерпывает всех возможностей диэлектрометрии.
Итак, относительная диэлектрическая проницаемость ε определяется как отношение ёмкости С конденсатора, диэлектриком у которого является в данном случае исследуемая магнитная жидкость, к ёмкости С0 конденсатора, диэлектриком у которого является вакуум:
Из этого соотношения видно, что относительная диэлектрическая проницаемость ε является величиной безразмерной и не зависит от выбора системы единиц.
Для безвоздушного пространства ε=1, для воздуха ε=1,0006, для остальных веществ ε > 1. При внесении диэлектрика между электродами конденсатора наблюдается увеличение ёмкости в ε раз. Причиной этого является поляризация диэлектрика, вследствие чего на поверхностях соприкосновения электродов с диэлектриком возникают связанные заряды, способствующие уменьшению в ε раз интенсивности поля Е и разности потенциалов:
Абсолютная диэлектрическая проницаемость εа, в отличие от относительной, имеет размерность [ф·м-1]. Между абсолютной и относительной диэлектрическими проницаемостями существует следующая зависимость:
εа= ε ε0,
где ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, имеющая следующую размерность в единицах СИ:
ε0= 107/4πС2 ф·м-1= 8.85·10-12 ф·м-1,
где скорость света в вакууме С= 2.998·108 м·сек-1.
Сила взаимодействия наэлектризованных тел, согласно закону Кулона
зависит как от электрических зарядов этих тел q1 и q2 и расстояния между ними r, так и от среды, в которой находятся взаимодействующие тела, характеризуемой абсолютной и относительной диэлектрическими проницаемостями.
Смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием электрического поля обнаруживается как соответствующий ток смещения. Его мерой является величина диэлектрического тока ID, определяющегося как электрический заряд, который в процессе зарядки или разрядки конденсатора пересёк единицу поверхности, находящуюся перпендикулярно направлению перемещения заряда. Между величиной электрического поля Е, плотностью тока смещения ID и относительной диэлектрической проницаемостью существует линейная зависимость
ID = ε ε0 E.
Ток смещения существует и в проводниках. При наложении постоянного напряжения на проводник через него протекает большой ток. В этом случае можно говорить о диэлектрической проницаемости проводящих веществ.
Из сказанного видно, что диэлектрическая проницаемость является мерой поляризации диэлектрика и является константой, присущей данному веществу.
2.2. Зависимость диэлектрической проницаемости от различных физических величин.
При измерении диэлектрической проницаемости исследуемого вещества необходимо помнить и учитывать зависимости проницаемости от различных величин. Например, если диэлектрик находится в переменном электрическом поле, то его поляризация зависит от частоты поля. При низких частотах изменение индукции следует за изменением поля без запаздывания. Изменение электрического поля и поляризация находятся в фазе и относительная диэлектрическая проницаемость имеет максимальную величину (ε = ε’). С повышением частоты ориентация диполей всё больше не успевает следовать за изменением поля. Происходит отставание по фазе ориентационной поляризации молекул от изменений поля и при очень высоких частотах ориентационная поляризация полностью исчезает (ε’ << ε) – наблюдается так называемая дисперсия диэлектрической проницаемости.
Температурная зависимость диэлектрической проницаемости имеет сложный вид, зависит от структуры вещества и применяемой для измерения частоты.
Особенно сильные изменения температурной зависимости диэлектрической проницаемости наблюдаются при структурных изменениях молекул, при фазовых переходах и т.п.
Величина диэлектрической проницаемости в значительной степени зависит от структуры молекулы. Для веществ, имеющих полярные молекулы, и, следовательно, дипольные моменты, диэлектрическая проницаемость велика. У электрически симметричных молекул результирующий дипольный момент практически равен нулю. С уменьшением симметричности молекулы величина диэлектрической проницаемости увеличивается.
Что касается зависимости диэлектрической проницаемости от агрегатного состояния вещества, то здесь нам интересны коллоиды и эмульсии. Эти состояния, в которых могут находиться магнитные жидкости, имеют много общих диэлектрических свойств. Диэлектрическое поведение водных коллоидных растворов определяется структурой коллоидных частиц. На величине диэлектрической проницаемости сказываются также физико-химические свойства коллоидов, такие, как анизотропия, образование мицелл. У гидрофильных коллоидов (желатин) часть молекул воды внедряется в мицеллы и не участвует в ориентационной поляризации. Вода, связанная в мицеллах в отличие от свободной имеет диэлектрическую проницаемость ε ≈ 2.
Для эмульсий, как и для коллоидов, простые уравнения смешения не применимы, так как результаты зависят от степени дисперсности дисперсной фазы.
Если в дисперсной среде, имеющей диэлектрическую проницаемость ε2, распределена нерастворимая фаза с проницаемостью ε1, то для получаемой при этом разности диэлектрических проницаемостей Δε=εэм–ε2 применимо уравнение
где v1 –объёмная доля дисперсной фазы. При постоянной величине v1 Δε растёт с увеличением степени диспергирования твёрдой фазы или степени эмульгирования жидкости.
Использование последней формулы для водных эмульсий показало, что эмульгированная вода даёт значительно меньшую величину Δε, чем растворённая. Этот эффект находит значительное техническое применение, например для определения содержания воды в трансформаторном масле.
Похожие работы
... коэффициента деполяризации от концентрации. Одним из возможных путей изучения механизма светорассеяния является исследование динамики рассеяния света в импульсных электрических и магнитных полях. Схема экспериментальной установки, предназначенной для изучения процессов рассеяния света магнитной жидкостью в импульсных магнитных полях, представлена на рисунке 4. 3 2 ...
тропии электрической проводимости магнитной жидкости с немагнитным наполнителем в магнитном поле. Магнитные жидкости – ультрадисперсные коллоиды ферро– и ферримагнетиков при воздействии на них однородного магнитного поля приобретают анизотропию макроскопических свойств. Очевидно, её появление следует связывать с ориентационным упорядочиванием и взаимодействием дисперсных частиц. Одним из наиболее ...
... магнетит в керосине с олеиновой кислотой структурных образований из исперсных частиц. Де Жен и Пинкус [33 МД] рассмотрели коллоид, состоящий из идентичных ферромагнитных частиц, взвешенных в пассивной по отношению к магнитному полю жидкости. Для характеристики дипольного взаимодействия, приводящего к агрегированию использован параметр, называемый константой спаривания . Было предположено, что ...
... полученных в ходе выполнения настоящей работы магнитных жидкостей (с магнитными оксидами железа в качестве дисперсионной фазы). Применение магнитных жидкостей позволяет варьировать свойства данных сорбентов в широких пределах. ü Методом электронно-микроскопического исследования показано, что разработанный способ получения магнитных сорбентов обеспечивает равномерное распределение частиц ...
0 комментариев