11433

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРЕТНЫХ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКОГО СТЕКЛА

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 20 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРЕТНЫХ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКОГО СТЕКЛА. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1. Изготовить электрет из органического стекла. 2. Изучить свойства полученного электрета. ПРИБОРЫ: 1.Конденсатор разборной. 2. Высоковольтный преобразователь

Русский

2013-04-07

2.06 MB

25 чел.

Лабораторная работа № 20

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРЕТНЫХ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКОГО СТЕКЛА.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Изготовить электрет из органического стекла.

2. Изучить свойства полученного электрета.

ПРИБОРЫ:

1.Конденсатор разборной.

2. Высоковольтный преобразователь «Разряд -1».

3. Неоновая лампочка ТН –02.

4. Лист оргстекла размером 30х30 см и толщиной 2-5 мм.

5. Гальванометр зеркальный баллистический типа М 17/11.

6. Линейка.

ТЕОРИЯ

Все известные в природе вещества в соответствии с их способностью проводить электрический ток разделяются на три основных класса: диэлектрики, полупроводники, проводники. Если удельная проводимость проводников составляет 105 -106Ом-1 см –1, то у диэлектриков она достигает 10-10 – 10-15 Ом-1 см –1  и меньше. Проводимость полупроводников занимает промежуточную область 105 –10-10 Ом-1 см –1 .

В идеальных диэлектриках нет свободных зарядов, способных под действием внешнего электрического поля перемещаться по всему объему. Все электрические заряды диэлектрика связаны с атомами и молекулами вещества. Под действием поля эти заряды, получившие название связанных зарядов, могут смещаться только в пределах микроскопических объемов. Процесс смещения связанных зарядов под действием внешнего электрического поля называется поляризацией диэлектрика. Количественной мерой поляризации является вектор поляризации . Он численно равен электрическому дипольному моменту единицы объема диэлектрика, который в свою очередь равен произведению числа N элементарных диполей, содержащихся в единице объема вещества, на величину дипольного момента элементарного диполя

   (1).

В результате поляризации на внешних поверхностях диэлектрика, прилегающих к электродам, появляются заряды, противоположные по знаку зарядам электродов (рис.1). Весь образец в целом приобретает дипольный момент

,

где  /– поверхностная плотность связанных зарядов диэлектрика, образовавшихся в результате поляризации;  

S– площадь положительно или отрицательно заряженной поверхности образца.

- напряженность поля, созданного свободными зарядами на обкладках конденсатора;

- напряженность поля, созданного связанными зарядами на внешних поверхностях диэлектрика;

- напряженность результирующего поля внутри диэлектрика.

С другой стороны, дипольный момент всего образца равен

PV = PSL ,

где V- объем диэлектрика. т.к. по определению P представляет собой дипольный момент единицы объема. Отсюда

Р =/    (2).

Следовательно, дипольный момент единицы объема диэлектрика численно равен поверхностной плотности заряда, возникшего вследствии поляризации (в общем случае, когда электрическое поле неперпендикулярно поверхности диэлектрика / = Рn= Рcos, где – угол между нормалью к поверхности и вектором  ).

Напряженность электрического поля внутри диэлектрика Е не равна напряженности поля Ео в отсутствие диэлектрика (рис.1).

Отношение

  (3)

характеризует способность вещества к поляризации. Величину называют относительной диэлектрической проницаемостью. Она имеет определенное значение для каждого диэлектрика, причем у некоторых  диэлектриков – величина постоянная, не зависящая от внешних полей. Существуют группы диэлектриков, у которых величина является функцией электрического поля и сильно зависит от внешних условий: это сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики.

Виды поляризации различают в зависимости от того, какие и на какое расстояние смещаются участвующие в ней частицы. Поляризацию разделяют на упругую и релаксационную (или тепловую), которые в свою очередь подразделяются на несколько видов (рис.2).

Рассмотрим упругую поляризация. Существует четыре вида упругой  поляризации. Наиболее распространенной является электронная упругая поляризация, при которых происходит смещение электронных оболочек атомов (ионов) относительно тяжелых, “неподвижных” ядер. Этот вид поляризации наблюдается у всех диэлектриков в любом агрегатном состоянии.

При атомной поляризации происходит смещение атомов, составляющих молекулу, друг относительно друга в электрическом поле. Частным случаем атомной поляризации является ионная упругая поляризация молекул и кристаллов, обусловленная смещением в электрическом поле положительно и отрицательно запряженных ионов относительно положений равновесия. Такого рода поляризация наблюдается в ионных кристаллах, например в щелочных. В молекулярных кристаллах, состоящих из дипольных молекул, наблюдается ориентационная поляризация. В этом случае на молекулу в электрическом поле действует пара сил, молекула упруго поворачивается, изменяя свою первоначальную ориентацию.

Релаксационная поляризация бывает:

1) дипольная или ориентационная (релаксируют дипольные молекулы газов, жидкостей и твердых тел);

2) ионная тепловая поляризация (релаксируют слабо связанные ионы);

3) электронная тепловая поляризация (релаксируют электроны);

4) объемно-зарядовая поляризация ( заряды в диэлектрике смещаются не на микрорасстояния, как при обычных видах поляризации, а на макрорасстояния).

В данной лабораторной работе изучается особый вид диэлектриков–электреты. Электреты – это диэлектрики с заметной остаточной наведенной поляризацией, уничтожение которой требует значительных полей. При отсутствие внешнего воздействия электреты длительно сохраняют наэлектризованное состояние.

Рис.2. Механизмы поляризации.

Они по своим свойствам являются аналогами постоянных моментов. Электреты способны создавать постоянное электрическое поле в окружающем пространстве. Подобные свойства обнаруживаются у ряда органических веществ (пчелинный воск, парафин, нафталин, эбонит, нейлон и др.) и неорганических (сера, титанаты и др.)

Поверхностный заряд электрета есть алгебраическая сумма поляризационных зарядов, обусловленных остаточной поляризацией, и зарядов противоположного знака, абсорбированных из воздуха. Время сохранения наэлектризованного состояния у электретов колеблется от нескольких дней до времени порядка миллионов лет. Закорачивание поверхностей электретов при хранении увеличивает стабильность их зарядов.

Стабильный электрет можно получить, если нагреть диэлектрик до температуры, близкой или равной температуре плавления, в сильном электрическом поле. Под действием поля произойдет упорядочение молекулярных диполей, которое частично сохраняется после охлаждения и снятия внешнего электрического поля. Так формируются термоэлектректы. Фотоэлектреты получаются при освещении светом некоторых диэлектриков в сильном электрическом поле (селен, окись цинка). Электроэлектреты изготовляют при воздействии сильного электрического поля без нагревания и освещения. Магнитоэлектреты – это электреты, изготовленные с помощью нагревания, как и термоэлектреты, но при воздействии не электрического поля, а магнитного.

Электреты применяются как источники постоянного электрического поля. Действие электретных микрофонов, телефонов, вибродатчиков основано на индуцировании переменного тока в электрическом поле электрета. Работу таких устройств можно пояснить схемой, изображенной на рис.3. Если металлическая пластинка будет совершать переодические колебания вблизи поверхности электрета, то во внешней цепи возникает переменный ток.

     Рис.3.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

I. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРЕТА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ЗНАКОВ ЗАРЯДА НА ЕГО ПОВЕРХНОСТИ

1.Для получения электрета необходимо расположить пластинку оргстекла между дисками разборного конденсатора и подать на них в течении 1-2 минут напряжение 25кВ от преобразователя “Разряд -1”1.

2.Выключив напряжение, указать его полярность знаками “+” и “-“ на поверхностях электрета. Кратковременно закоротить конденсатор.

3.Для проверки правильности указанных знаков зарядов на поверхностях полученного электрета, собрать цепь по схеме рисунка 4,

где Сх – разборной конденсатор с электретом, Л – неоновая лампочка.

  1.  Опуская верхний диск разборного конденсатора, заметить какой электрод лампочки светится.
  2.  Поднимая верхний диск разборного конденсатора, заместить возле какого электрода лампочки наблюдается свечение.
  3.  Определить знаки зарядов на поверхностях электрета исходя из следующих соображений: при указанной поляризации электрета (см. рис.5.) и сближении с ним диска 4 на последнем индуцируется положительный заряд, а электрод 1 лампочки заряжается отрицательно. Когда разность потенциалов между электродами 1 и 2 достигнет напряжения зажигания, электроны начнут переходить на нижний электрод 3 конденсатора. В цепи потечет ток, направление которого показано на рис.5 стрелкой. При этом вблизи электрода 1 будет наблюдаться свечение. Если поднимать диск 4, его индуцированный заряд начнет уменьшаться, и в цеи потечет ток в противоположном направлении. При этом свечение будет наблюдаться вблизи электрода 2 лампочки. Если же при опускании диска 4 свечение наблюдается у кольцевого электрода 2, а при удалении – вблизи электрода 1, то значит верхняя поверхность электрета заряжена положительно.

Рис.5.

  1.  Сопоставить знаки зарядов на поверхностях электрета с полярностью напряжения, приложенного к оргстеклу во время поляризации. Сделать выводы.

II  ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯДОВ
ПРИ ОСТАТОЧНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ И НАПРЯЖЕННОСТИ
 ВНУТРЕННЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ЭЛЕКТРЕТА

1.Определить Кб– цену деления зеркального баллистического гальванометра при определенной величине шунта к гальванометру (см. лабораторную работу «Определение емкости конденсатора баллистическим методом»). Можно воспользоваться величинами Кб и Кб, указанными преподавателем.

2.Собрать цепь по схеме, представленной на рис 6.

где Сх – разборной конденсатор с электретом, изготовленным в предыдущем опыте,  г – гальванометр зеркальный баллистический

3.За изолирующую ручку быстро поднять верхний электрод, удалив его от поверхности электрета. Заряд, индуцированный на этом электроде, через гальванометр стечет в землю, он может быть измерен по отклонению указателя гальванометра n. Опыт повторить 5-6 раз , найти nср. Каждый раз образец из органического стекла поляризовать по методике, описанной в пунктах 1 и 2 первой части лабораторной работы, при постоянном напряжении 25 кВ.

q = Кбnср.  (4).

4.Определить величину заряда по формуле (4).

5.Определить поверхностную плотность связанных остаточных зарядов электрета по формуле (5)

 (5),

где / - поверхностная плотность остаточных связанных зарядов электрета, q/ - величина остаточного связанного заряда, q = q/, S - площадь пластины раздвижного конденсатора.

6.Определить напряженность внутреннего электрического поля электрета по формуле (6)

Е =  (6),

где Е – напряженность внутреннего электрического  поля электрета,

0 = 8,85 х 10-12 Ф/м – электрическая постоянная,

= 3.3 – диэлектрическая проницаемость оргстекла.

7.Результаты измерений и вычислений внести в таблицу. Погрешность n определить как среднеквадратичную погрешность среднего арифметического;  q ,  и Е определить по формулам погрешностей, полученным из формул (4, 5, 6).

№ п/п

n,

n

q

q

S

S



Е

Е

(дел)

(дел)

(Кл)

(Кл)

2)

2)

(Кл/м2)

(Кл/м2)

(В/м)

(В/м)

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Какие вещества называются диэлектриками? Дайте определение относительной диэлектрической проницаемости и вектора поляризации.

  1.  Какой процесс называется поляризацией? Перечислите виды поляризации и охарактеризуйте механизм этих процессов.

Какие вещества относятся к электретам? Перечислите виды электретов и охарактеризуйте способы их получения.

Объясните принцип определения знаков зарядов на поверхностях электрета.

Почему происходит свечение газа в неоновой лампочке? Каков механизм этого свечения?

1 Предварительно изучить описание преобразователя «Раздел-1», знать его принцип действия и методику работы с ним.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32454. Шины ввода-вывода: ISA, MCA EISA, VESA 33 KB
  Для улучшения каждого из этих параметров нужна шина вводавывода с максимальным быстродействием. Новая более быстродействующая шина должна быть совместимой с прежним стандартом иначе все старые платы придется просто выбросить. Шины вводавывода различаются архитектурой: IS Industry Stndrd rchitecture; MC Micro Chnnel rchitecture; EIS Extended Industry Stndrd rchitecture; VES также называемая VLBus или VLB; локальная шина PCI; GP; FireWire IEEE1394; USB Universl Seril Bus.
32455. Компоненты системной платы 138 KB
  Самые современные системные платы содержат следующие компоненты: гнездо для процессора; набор микросхем системной логики; микросхема Super I O; базовая система вводавывода ROM BIOS; гнезда модулей памяти SIMM DIMM; разъемы шины; преобразователь напряжения для центрального процессора; батарея. Наборы микросхем системной логики Чтобы заставить компьютер работать на первые системные платы IBM PC пришлось установить много микросхем дискретной логики. В 1986 году компания Chips nd Technologies...
32456. Архитектура локальных шин. Шина PCI 106.5 KB
  Шина PCI Локальные шины ЛШ Шины IS MC и EIS имеют один общий недостаток сравнительно низкое быстродействие. Быстродействие шины процессора возрастало а характеристики шин вводавывода улучшались в основном за счет увеличения их разрядности.1 в общем виде показано как шины в обычном компьютере используются для подключения устройств. Однако быстродействие шины вводавывода в большинстве случаев не играет роли.
32457. Интерфейсы запоминающих устройств IDE и SCSI 92.5 KB
  Официальное название интерфейса IDE T Tttchment. Интерфейс IDE представляет собой связь между системной платой и контроллером встроенным в накопитель. Интерфейс IDE взаимодействует с системной шиной непосредственно а в интерфейсе SCSI между контроллером и системной шиной вводится еще один уровень управления головной host SCSI адаптер.
32458. Компоненты видеосистемы 28.5 KB
  например ускоритель трехмерной графики BIOS видеоадаптера Видеоадаптеры имеют свою BIOS которая подобна системной BIOS но полностью независима от нее. Другие устройства в компьютере такие как SCSIадаптеры могут также иметь собственную BIOS. Если вы включите монитор первым и немедленно посмотрите на экран то сможете увидеть опознавательный знак BIOS видеоадаптера в самом начале запуска системы.
32459. Назначение и функционирование шин: шина процессора, шина памяти, шина адреса 52 KB
  Шина это общий канал связи используемый в ПК для организации взаимодействия между компонентами системы. Шина это набор соединений по которым передаются различные сигналы. В Pentium III например эта шина работает на частоте 100 МГц и имеет ширину 64 разряда.
32460. Назначение, принцип действия, характеристики и классификация сканеров 37 KB
  Сканер считывает изображение и преобразует его в цифровые данные которые передаются процессору и там интерпретируются. Сканер разделяет изображение на микроскопические строки и колонки а затем определяет как плёнка в фотоаппарате сколько света отражается от каждой отдельной точки находящейся на пересечении строк и колонок. После того как сканер соберёт информацию о каждой точке он представляет результат виде цифрового файла в компьютер.
32462. Напряжение питания, перегрев и охлаждение процессоров 33.5 KB
  Теплоотводы бывают: Пассивные теплоотводы являются простыми радиаторами; активные содержат небольшой вентилятор требующий дополнительного питания. Активные теплоотводы со встроенным вентилятором выпускаются для быстродействующих П вентиляторы обычно подключаются к разъему питания дисковода или спец. разъему питания 12В для вентилятора на СП.