ЛБ 5 ФХ

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа энергетики

Отделение электроэнергетики и электротехники

Направление − 13.04.02 Электроэнергетика и электротехника

Дисциплина – Физико-химия диэлектрических материалов

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №5

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛЯРИЗАЦИИ

В ИОННЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

Выполнил:		Абдуллаев Берик Серикович
студент группы: 5АМ09	подпись	(Ф.И.О)

Проверил		Леонов Андрей Петрович
преподаватель:	подпись	(Ф.И.О)

Томск – 2020

Цель работы: изучить влияние температуры на процессы поляризации в ионных кристаллических диэлектриках.

Задачи работы: исследовать характер изменения диэлектрической проницаемости различных ионных диэлектриков от температуры. Установить характерные зависимости между величиной поляризуемости молекул исследуемых диэлектриков и строением электронных оболочек атомов этих веществ. Рассчитать поляризуемость упругого смещения и собственную частоту колебания частиц.

Ход работы

Электрическая схема установки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Электрическая схема измерителя емкости

C_o – образцовый конденсатор; C_x – исследуемый конденсатор – образец;

Г₁ и Г₂ – высокочастотные генераторы; УНЧ – усилитель низкой частоты

Таблица 1 – Размеры образцов исследуемых ионных кристаллов

	S, м2	h, м
KCL
LiF

где: h – толщина диэлектрика (м);S – площадь измерительного электрода конденсатора (м²); – электрическая постоянная.

Экспериментальные и расчетные данные для исследуемых ионных кристаллов представлены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 – Расчетные и экспериментальные данные для KCL

Исследуемый кристалл	Т, °С	CKCL,пФ	tg	εKCl	Расчетные данные
					TKε, C-1	αi, Ф ⋅м2	f0, C-1
KCL	26	77,64	0,0034	19,30033898	-	-	-
	30	77,75	0,0039	19,32768362	0,000354	3,85023⋅10-40	7,3863⋅1012
	35	77,81	0,0048	19,34259887	0,000154	3,85067⋅10-40	7,38587⋅1012
	40	77,88	0,0052	19,36	0,000180	3,85118⋅10-40	7,38538⋅1012
	45	77,89	0,0051	19,36248588	2,576E-05	3,85126⋅10-40	7,38531⋅1012
	50	77,8	0,0059	19,34011299	-0,000231	3,8506⋅10-40	7,38594⋅1012
	55	77,48	0,0059	19,26056497	-0,000824	3,84824⋅10-40	7,38821⋅1012
	60	77,63	0,0051	19,29785311	0,000386	3,84935⋅10-40	7,38714⋅1012
	65	77,64	0,0051	19,30033898	2,576E-05	3,84942⋅10-40	7,38707⋅1012
	70	77,49	0,0055	19,26305085	-0,000386	3,84832⋅10-40	7,38813⋅1012
	75	77,43	0,0056	19,24813559	-0,000154	3,84787⋅10-40	7,38856⋅1012
	80	77,39	0,0052	19,23819209	-0,000103	3,84758⋅10-40	7,38884⋅1012
	85	77,42	0,0054	19,24564972	7,728E-05	3,8478⋅10-40	7,38863⋅1012
	90	77,59	0,007	19,2879096	0,000438	3,84905⋅10-40	7,38743⋅1012
	95	77,6	0,007	19,29039548	2,576E-05	3,84913⋅10-40	7,38735⋅1012
	100	77,74	0,0061	19,32519774	0,0003607	3,85016⋅10-40	7,38636⋅1012

Пример расчета:

Расчета диэлектрической проницаемости диэлектрика при комнатной температуре (Т = 26 ⁰С):

Температурный коэффициент рассчитывается по формуле:

Среднее значение температурного коэффициента равно:

Ионнаяполяризуемость определяется по формуле:

где:M – относительная молекулярная масса вещества; – диэлектрическая постоянная, Ф/м; – коэффициент расширения кристалла; – температурный коэффициент; – число Авогадро, ; – плотность вещества; – постоянная лежащая в пределах 7 11.

Заряд иона для KCLрассчитывается по формуле:

,

где: n – валентность соединения (для KCLn=1); e–элементарный заряд.

Частота собственных колебаний ионов кристаллической решетки считается как:

Таблица 3 – Расчетные и экспериментальные данные для LiF

Исследуемый кристалл	Т, °С	CLiF,пФ	tg	εLiF	Расчетные данные
					TKε, C-1	αi, Ф ⋅м2	f0, C-1
LiF	26	80,63	0,0062	21,49198899	-	-	-
	30	80,56	0,008	21,47333044	-0,0002197	1,04505⋅10-40	2,71655⋅1013
	35	80,48	0,0105	21,45200637	-0,0002009	1,04491⋅10-40	2,71674⋅1013
	40	80,3	0,0148	21,40402723	-0,000452	1,0446⋅10-40	2,71714⋅1013
	45	80,12	0,0215	21,3560481	-0,000452	1,04428⋅10-40	2,71756⋅1013
	50	79,71	0,0243	21,24676228	-0,0010296	1,04356⋅10-40	2,71849⋅1013
	55	79,76	0,0179	21,26008982	0,0001255	1,04365⋅10-40	2,71838⋅1013
	60	79,86	0,0174	21,28674489	0,0002511	1,04382⋅10-40	2,71815⋅1013
	65	79,2	0,0154	21,11082138	-0,0016574	1,04265⋅10-40	2,71968⋅1013
	70	79,28	0,0191	21,13214544	0,0002009	1,04279⋅10-40	2,7195⋅1013
	75	78,9	0,0143	21,03085615	-0,0009543	1,04211⋅10-40	2,72038⋅1013
	80	78,89	0,0111	21,02819064	-2,511E-05	1,04209⋅10-40	2,72041⋅1013
	85	79,22	0,0337	21,1161524	0,0008287	1,04268⋅10-40	2,71964⋅1013
	90	79,19	0,0424	21,10815587	-7,534E-05	1,04263⋅10-40	2,7197⋅1013
	95	79,12	0,0414	21,08949732	-0,0001758	1,0425⋅10-40	2,71987⋅1013
	100	79,09	0,0285	21,0815008	-7,534E-05	1,04245⋅10-40	2,71994⋅1013

Пример расчета:

Расчета диэлектрической проницаемости диэлектрика при комнатной температуре (Т = 26 ⁰С):

Температурный коэффициент рассчитывается по формуле:

Среднее значение температурного коэффициента равно:

Ионнаяполяризуемость определяется по формуле:

Заряд иона для LiF рассчитывается по формуле:

,

где: n – валентность соединения (для LiFn=1); e–элементарный заряд.

Частота собственных колебаний ионов кристаллической решетки считается как:

Строим зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для KCLи LiF.

Рисунок 2 – Зависимость =f(T)

Рисунок 3 – Теоретическая зависимость =f(T)для ионных диэлектриков

1 – преобладает фактор уменьшения плотности, т.е. снижение N₀; 2 –преобладает рост поляризуемости

Вывод: ионная поляризуемость у KCL больше чем у LiF(_iKCl>_iLiF), потому что масса атомов входящих в молекулу KCl больше, чем у LiF, но наибольший вклад оказывают силы Кулоновского взаимодействия между атомами. У KCl оно меньше т.к. из-за большего числа электронов на электронных оболочках больше расстояние между ядрами, поэтому связь между ионами слабее следовательно поляризация больше.

Рост диэлектрической проницаемости у KCl связан с тем, что преимущественный вклад оказывает уменьшение плотности кристалла, уменьшение диэлектрической проницаемости у LiF связано с преимущественным влиянием ослабления коэффициента упругой связи.