8.2. Метод діелектрометрії

8.2.1. Відносна діелектрична проникність речовини та діелектричні втрати

Під діелектрометрією розуміють методи вимірювання відносної діелектричної проникності ε та діелектричних втрат tg досліджуваного матеріалу.

Однією з характеристик стану речовини є відносна діелектрична проникність ε :

ε = E / E (8.21)

яка вказує у скільки разів напруженість електричного поля у вакуумі Ео більша за напруженість електричного поля в присутності діелектрика Е.

Відомо, що електроємність плоского конденсатора С в системі одиниць СІ визначається за формулою:

C = ε ε S / d (8.22)

де ε - електрична стала, що дорівнює 8,8410^-12 Ф/м; S - площа поверхні однієї пластини конденсатора; d - відстань між пластинами.

Виходячи з формули (8.21) відносна діелектрична проникність для вакууму ε = І, тому електроємність С з врахуванням формули (8.22) запишеться у вигляді:

C = ε S / d (8.23)

Із співвідношення (8.22) та (8.23) одержимо вираз для ε:

ε = C / C (8.24)

Метод діелектрометрії базується на тому, що процеси, які протікають в речовині, супроводжуються зміною діелектричної проникності, яка визначається за зміною електроємності конденсатора, між обкладками якого знаходиться зразок під впливом зовнішніх факторів, наприклад, температури, або зазнав такого впливу, і фіксуються, які зміни при цьому відбулись.

Якщо ідеальний (тобто який не має втрат) конденсатор ввімкнути в коло змінного струму, то зсув фаз між струмом I та напругою U складає φ= 90° і він поводить себе як реактивний опір - не відбирає енергії з кола і потужність змінного струму W = А / t. В цьому випадку буде:

W = I U cosφ = 0 (8.25)

оскільки cos90 = 0.

На рис. 8.13 зображено позначення конденсатора без втрат (а) і діаграму ₍зсуву фаз між напругою та струмом для нього (б).

Рис. 8.13

Якщо між обкладками є діелектрик (зразок), то конденсатор мав втрати. Тоді зсув фаз між напругою та струмом менший, ніж 90°. На рис. 8.14 зображено еквівалентну електричну схему конденсатора з втратами (а) і діаграму зсуву фаз між напругою та струмом для нього (б).

Рис. 8.14.

Такий конденсатор відбирає з кола енергію, частина, якої перетворюється в тепло.

Отже, другою характеристикою стану речовини є діелектричні втрати, які прийнято визначати тангенсом кута втрат:

tg = tg (90 - φ) (8.26)

де φ - зсув фаз між струмом та напругою, прикладеною до конденсатора.

В реальному випадку величину енергії, яка виділяється в конденсаторі за одиницю часу, визначають з формули:

W = U C tg (8.27)

де U- ефективне значення напруги, прикладеної до конденсатора; - кутова частота.

Діелектричні втрати можна вираховувати, знаючи відносну діелектричну проникність речовини ε і питому електропровідність σ :

tg = σ / ε ε (8.28)

Значення tg конденсатора з втратами у вигляді паралельного опору можна знайти із співвідношення:

tg = 1 / CR (8.29)

Якщо втрати змоделювати опором, приєднаним до конденсатора послідовно, то

tg = CR (8.30)

8.2.2. Застосування методу діелектрометрії

В загальному випадку чим вища степінь структурування синтетичного матеріалу, тим при більш високій температурі досягається максимум діелектричних втрат. Ця закономірність спостерігається для полімерів з великим числом атомів вуглецю. В процесі структурування максимальні значення tg співпадають з часом гелеутворення. Встановлено, що швидкість і степінь твердіння досить точно співпадають з швидкістю зміщення максимуму на графічній залежності tg = f(ν) в область більш низьких частот ν і зростання величини tg . Зміна діелектричних властивостей синтетичних матеріалів пояснюється в рамках молекулярної теорії. Таким чином, метод діелектрометрії дозволяє визначити степінь структурування смоли, забезпечуючи контроль процесу твердіння на всіх стадіях, тим більше, що внаслідок високої температури і значної в'язкості матеріалів промислові віскозиметри часто виходять із ладу.

Для полімерів встановлена однозначна залежність відносної діелектричної проникності ε і діелектричних втрат tg від модуля пружності E і температури зразка t.

Дослідження діелектричних властивостей речовин і застосування діелектрометрії до виробництва лаків, смол та синтетичних матеріалів пов'язане з тим, що можна визначати їх молекулярну масу, вміст вологи, вивчати процес кристалізації, полімеризації та поліконденсації, просторового структурування, термічного розпаду, визначати технологічні параметри та електрофізичні характеристики.

Діелектричні втрати визначаються електропровідністю зразка досліджень, що знаходиться між обкладками конденсатора. Діелектричний метод вимірювань неможливий при великій електропровідності і, як правило, обмежений значенням - tg = 1. При більш високій електропровідності замість ε, і tg доцільно використовувати метод електропровідності, який було розглянуто раніше.

Вибір того або іншого методу здійснюється дослідним шляхом, тобто залежить від електропровідності σ та хімічної природи речовини і її стану при даних умовах.