Ремонт принтеров, сканнеров, факсов и остальной офисной техники


назад Оглавление вперед




[9]

создавая ток проводимости. Параметром вещества, количественно определяющим его электропроводность, является удельное объемное сопротивление р, измеряемое в омах на метр (Ом*м).

Носителями заряда в диэлектриках могут быть ионы, электроны и молионы - заряженные коллоидные частицы. У реальных диэлектриков р=107 - 1018 Ом*м, что практически означает отсутствие протекающего через них тока.

Параметром диэлектрического материала, определяющим его способность противостоять пробою, является электрическая прочность Епр - напряженность электрического поля в диэлектрике, при достижении которой происходит его пробой. Механизм пробоя диэлектриков может иметь различный характер. Основными видами пробоя твердых диэлектриков являются электрический и тепловой. Электрический пробой представляет собой разрушение диэлектрика силами электрического поля и сопровождается образованием электронных лавин. Тепловой пробой обусловлен нагревом диэлектрика до критической температуры вследствие диэлектрических потерь, при нарушении в диэлектрике теплового равновесия. Электрическая прочность диэлектриков при тепловом пробое составляет 1 - 10 кВ/мм, при электрическом - примерно 100 - 1000 кВ/мм.

Помимо удельного объемного сопротивления, для краткости обычно называемого удельным сопротивлением, для твердых диэлектриков в качестве параметра вводят также удельное поверхностное сопротивление ps. Очень часто пробой диэлектрика происходит именно по поверхности, особенно при работе в загрязненных или увлажненных средах.

Внешнее электрическое поле отсутствует

Направление внешнего электрического поля

Орбита электрона

Электрическое поле диполя

Рис. 1.26. Смещение электронной орбиты под воздействием электрического поля

Одним из важнейших параметров диэлектрических материалов является диэлектрическая проницаемость. Различают относительную диэлектрическую проницаемость ег (прежде е) и абсолютную диэлектрическую проницаемость ergo (ео - электрическая постоянная или, по старой терминологии, диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8.854*10-12 Ф/м).

По физическому смыслу диэлектрическая проницаемость - количественная мера интенсивности процесса поляризации. Поляризация представляет собой смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля. Основными видами поляризации являются электронная, ионная и дипольная.

Электронная поляризация - упругое смещение электронных орбит относительно ядер в атомах и молекулах под действием внешнего электрического поля. В качестве примера можно рассмотреть поляризацию атома водорода, состоящего из положительно заряженного ядра и вращающегося вокруг него электрона. Если поле отсутствует, то центр, вокруг которого вращается электрон, совпадает с центром ядра и, соответственно, заряды полностью нейтрализуют друг друга. В присутствии электрического поля электрон смещается относительно ядра, как это показано на рис. 1.26, центр вращения электрона и центр ядра расходятся в пространстве и образуется диполь. Электронная поляризация происходит во всех диэлектриках независимо от присутствия в них других видов поляризации.

Ионная поляризация - это упругое смещение противоположно заряженных ионов в узлах кристаллической решетки. Присутствует в кристаллических веществах. Ионная и электронная поляризации происходят без потерь энергии.


Дипольная поляризация характерна для полярных диэлектриков. Полярные молекулы имеют несимметричное строение. Центры тяжести разноименных зарядов у них не совпадают, и поэтому в отсутствие внешнего электрического поля эти молекулы представляют собой диполи. Характерным представителем дипольных диэлектриков является вода, молекула которой показана на рис. 1.27.

Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Связь между атомами осуществляется за счет того, что электрон каждого из атомов водорода образует пару с одним из атомов кислорода, которая является общей для обоих атомов. Поскольку размеры и свойства атомов водорода и кислорода различны, наличие такой пары приводит к смещению центров положительного и отрицательного зарядов относительно друг друга. Дипольный момент возникает из-за того, что оси между центрами атомов водорода и центром атома кислорода не совпадают. Угол между ними составляет примерно 105°. Этот, на первый взгляд, незначительный факт имеет далеко идущие последствия. Свойства воды как растворителя объясняются главным образом существованием у ее молекулы дипольного момента. Этот момент играет важную роль и в химических реакциях, происходящих в присутствии воды. Трудно вообразить, на что был бы похож мир, если бы атомы в молекуле воды располагались по прямой линии, как в некоторых других веществах. Скорее всего, наблюдать это было бы некому.

Атом кислорода Атомы водорода

Рис. 1.27. Молекула воды

Свойства диэлектриков, состоящих из полярных молекул, существенно отличаются от диэлектриков с другими видами поляризации. Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных жидкостей близка к 2, в то время как для воды она равна примерно 80. Сущность дипольной поляризации состоит в повороте диполей в направлении электрического поля. При отсутствии внешнего электрического поля молекулы полярного диэлектрика, находящиеся в хаотическом тепловом движении, ориентированы произвольным образом (рис. 1.28а) и какое-либо выделенное направление отсутствует. Ситуация изменится, если диэлектрик поместить в электрическое поле. Электростатические силы будут стремиться развернуть диполи вдоль силовых линий. В результате дипольные молекулы частично ориентируются вдоль поля, причем степень их ориентации будет зависеть от напряженности приложенного поля.

В идеальном диэлектрике отсутствуют свободные носители зарядов, поэтому его суммарный заряд всегда равен нулю. При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле за счет ориентации диполей вдоль силовых линий на противоположных сторонах диэлектрика образуются не-скомпенсированные • заряды, которые создают внутреннее поле, по направлению обратное приложенному (рис. 1.286). В результате суммарное поле в диэлектрике оказывается меньше, чем поле в свободном пространстве, при прочих равных условиях.

Таким образом, диэлектрическую проницаемость можно рассматривать как меру, характеризующую степень снижения напряженности электрического поля в диэлектрике по сравнению с вакуумом. Однако с точки зрения микроволновой техники более существенным является то, что скорость распространения электромагнитных волн в веществе пропорциональна V£. Для пояснения этого факта и вытекающих последствий рассмотрим картинку на рис. 1.29.

Электромагнитная волна распространяется по волноводу со скоростью Vo и на некотором участке попадает в область, заполненную диэлектриком. В результате ее скорость уменьшается в V£ раз, что приводит к такому же сокращению длины волны. Волна в диэлектрике как бы сжимается в продольном направлении. При этом энергия электромагнитного поля, запасенная на участках, ограниченных длинами L1 и L2, одна и та же, поскольку размеры участков на рисунке выбраны таким образом, чтобы на них умещалась ровно одна длина волны. Из этого можно сделать следующий качественный вывод: чем выше диэлектрическая проницаемость вещества, тем больше плотность запасаемой в нем электромагнитной энергии. Количественные оценки более сложны и зависят от типа волны, формы диэлектрика и т.д., но, поскольку при ремонте микроволновой печи эти знания вряд ли помогут, скорее наоборот, только окончательно запутают, мы в эти дебри углубляться не будем.


Электрическое поле отсутствует

Внешнее

электрическое поле

Внутреннее электрическое поле

Рис. 1.28. Дипольная поляризация диэлектрика под воздействием внешнего электрического поля

Диэлектрик

Волновод

.м........

Рис.1.29. Изменение характеристик поля в волноводе при его заполнении диэлектриком

Может показаться, что возникает некоторое противоречие в полученных выводах: с одной стороны, из-за поляризации, амплитуда поля в диэлектрике уменьшается, а с другой - возрастает запасенная энергия. Но это противоречие кажущееся. В подтверждение этих слов приведем пример из электростатики. Если между обкладками обычного конденсатора поместить диэлектрик, то его емкость, а соответственно и запасенная энергия возрастут. В то же время напряженность поля между обкладками уменьшится. Теоретически волновод можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из набора индуктивностей и емкостей, и поэтому приведенный пример с конденсатором не пустая абстракция, а вещественное доказательство.



[стр.Начало] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26] [стр.27] [стр.28] [стр.29] [стр.30] [стр.31] [стр.32] [стр.33] [стр.34] [стр.35] [стр.36] [стр.37] [стр.38] [стр.39] [стр.40] [стр.41] [стр.42] [стр.43] [стр.44] [стр.45] [стр.46] [стр.47] [стр.48] [стр.49] [стр.50] [стр.51] [стр.52] [стр.53] [стр.54] [стр.55] [стр.56] [стр.57] [стр.58] [стр.59] [стр.60] [стр.61] [стр.62] [стр.63] [стр.64] [стр.65] [стр.66] [стр.67] [стр.68] [стр.69] [стр.70] [стр.71] [стр.72] [стр.73] [стр.74] [стр.75] [стр.76] [стр.77] [стр.78] [стр.79] [стр.80] [стр.81] [стр.82] [стр.83] [стр.84] [стр.85] [стр.86] [стр.87]