РОЗДІЛ 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ОБ’ЄКТА КОНТРОЛЮ
2.1. Діелектрична проникність e і тангенс кута діелектричних втрат tg d
діелектричних матеріалів
Зерно пшениці та інших сільськогосподарських культур відноситься до
діелектричних матеріалів з капілярно-пористою структурою.
Властивості діелектричних матеріалів узагальнені в роботах [16,17,19,20,
92–95]. Різні діелектрики, в залежності від їхньої молекулярної будови
утворюють дві групи речовин: неполярні і полярні.
В полярних діелектриках молекула має зсунуті центри додатніх і від’ємних
зарядів, що утворює молекулярний дипольний момент . При відсутності
електричного поля, завдяки хаотичному тепловому рухові, моменти молекул
орієнтовані неузгоджено. Якщо виділити об’єм діелектрика, що має достатньо
велику кількість молекул, то векторна сума моментів всіх молекул , що
знаходяться в цьому об’ємі, дорівнюватиме нулю. Нулю дорівнюватиме також
сумарний момент неполярних діелектриків, оскільки нулю в них дорівнює момент
окремих молекул (диполі відсутні).
При наявності зовнішнього електричного поля диполі полярних діелектриків
частково орієнтуються за ним (орієнтаційна поляризація), окрім цього
спостерігається зсув центрів від’ємних і додатніх зарядів (деформаційна
поляризація або поляризація зсуву).
В полярному діелектрику при дії зовнішнього поля також утворюються диполі,
оскільки розходяться центри від’ємних та додатніх зарядів (деформаційна
поляризація). Сума моментів стане відмінною від нуля. Таким чином, діелектрик
стане поляризованим.
Мірою поляризації діелектрика є вектор , що дорівнює сумарному моменту молекул
, поділеному на одиницю об’єму:
. (2.1)
Об’єм , в межах якого береться сума моментів окремих молекул , повинен мати
достатню кількість молекул, але разом з тим бути настільки малим, щоб всередині
нього всі макроскопічні величини – щільність, температура, напруженість
електростатичного поля Е і ін., могли вважатись постійними. Вектор називається
вектором поляризації.
Очевидно, що ступінь поляризації прямо пропорційна напруженості поля в межах
діелектрика. При цьому вектор поляризації також буде пропорційним напруженості
поля :
, (2.2)
де c – коефіцієнт поляризації.
На поверхні діелектрика в результаті поляризації з’являються заряди з деякою
поверхневою щільністю а/. У випадку неоднорідності діелектрика виникають і
об’ємні заряди а// всередині самого діелектрика, які пояснюються наявністю
носіїв заряду, що зустрічають перешкоди на своєму шляху (об’ємна поляризація).
Об’ємна щільність зв’язаних зарядів а// визначається дивергенцією вектора
поляризації, взятої зі зворотнім знаком:
. (2.3)
Діелектрична проникність матеріалу (діелектрична стала) [16,92–95] є
безрозмірною величиною і визначається за виразом:
, (2.4)
де С – ємність конденсатора із досліджуваним матеріалом в міжелектродному
просторі;
Св – ємність конденсатора у вакуумі.
Волога, що знаходиться в діелектрику значно змінює його діелектричні
властивості, надзвичайно збільшуючи його діелектричну проникність. Це
пояснюється тим, що вода як полярний діелектрик має велике значення
діелектричної проникності (e = 81).
Ємність плоскопаралельного конденсатора:
де e0 – діелектрична проникність вакуума;
e – діелектрична проникність міжелектродного середовища діелектрика;
S – площа електродів конденсатора;
d – відстань між електродами.
Ємність коаксіального конденсатора [75, стор.24]:
, (2.5)
де l – довжина циліндричних електродів;
D – внутрішній діаметр зовнішнього електрода;
d – зовнішній діаметр внутрішнього електрода.
Відомо [1,6,93,96], що молекули рідини розміщуються не хаотично, а утворюють
впорядковані структури, що проходять через всю рідину.
Полярні молекули до того ж схильні до асоціацій в результаті електролітичної
взаємодії. Одна полярна складова може мати, в принципі, дві різноманітних
асоціації: квадрупольну і ланцюгову, схематичне зображення яких представлено на
рис.2.1.
Процеси перетворення асоціацій також впливають на діелектричні характеристики.
Будь-яка речовина складається з додатніх атомних ядер, що оточені від’ємними
електронними хмарками. Під дією зовнішнього поля електрони незначно зміщуються
відносно ядер. Виникають наведені дипольні моменти і т. з. електронна
поляризація речовини. Якщо атоми різноманітних типів утворюють молекулу, то
вони, як правило, не зберігають свою електронну симетрію, оскільки електронна
хмарка розміщується ексцентрично по відношенню до зв’язаного з ним ядра. В
результаті атоми отримують заряди протилежного знаку, а зовнішнє поле, що діє
на такі заряди, буде змінювати положення рівноваги самих атомів.
Ланцюг
Квадруполь
Рис. 2.1. Ланцюговий і квадрупольний зв’язки молекул води.
Внаслідок зміщення заряджених атомів або груп атомів один відносно іншого
виникає наведений дипольний момент другого роду, який відповідає атомній
поляризації діелектрика. Крім того, асиметричне розподілення заряду між
неоднаковими частинками в молекулі призводять до зростання постійного
дипольного моменту, що існує також і при відсутності зовнішнього поля. Обидва
ці моменти відчувають обертову дію прикладеного поля і воно примушує їх
орієнтуватись в напрямку поля і з’являється орієнтаційна (або дипольна)
поляризація.
Отже, повна поляриз
- Київ+380960830922