2. Взаимодействие поля с веществом

Получение информации о том или ином физическом объекте связано с организацией взаимодействия между объектом и другим материальным объектом – датчиком. Взаимодействие различных материальных объектов между собой происходит посредством физических полей, причем каждому типу взаимодействия соответствуют определенные физические поля. Каждое из этих полей имеет ряд модификаций, обуславливающих особенности взаимодействия материальных объектов. Например, электрическое поле может быть электростатическим, переменным, вихревым и т. д. [11].

В веществе могут существовать различные типы полей: электромагнитное, электрическое, магнитное, акустическое, тепловое и др.

Рассмотрим взаимодействие некоторых видов полей с веществами.

2.1. Взаимодействие электрического поля с веществом

Регистрация параметров электрического поля в веществах и их электрических параметров во многих случаях позволяет осуществить неразрущающий контроль различных объектов (например, определить наличие дефектов как на поверхности изделия, так и внутри него) и провести измерения различных физических величин (размеров, деформации и др.).

Электрическое поле по-разному взаимодействует с различными веществами. Все вещества (материалы) по отношению к электрическому полю могут быть разделены на диэлектрические, проводниковые и полупроводниковые.

Диэлектрическиематериалы – материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля.

Удельное электрическое сопротивление диэлектрических материалов лежит в пределах 10¹³ 10²³мкОмм.

Важной характеристикой диэлектрического материала при его использовании в электронике, электротехнике и других областях техники является качество диэлектрика. Под качеством диэлектрикапонимают свойство, которое характеризует величину потерь энергии электрического поля в диэлектрике, идущих на его нагрев. Малые потери означают высокое качество диэлектрика.

Основным свойством проводниковых материалов является сильно выраженная электропроводимость по сравнению с другими электротехническими материалами.

Удельное сопротивление проводниковых материалов лежит в пределах 0,016 10 мкОмм. Проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости (серебро, медь и др.) и материалы высокого сопротивления (манганин, нихром и др.).

Полупроводниковые материалы – материалы, которые по своей удельной проводимости являются промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами.

Удельное сопротивление полупроводниковых материалов лежит в пределах 1 10¹⁴мкОмм. Отличительным свойством полупроводниковых материалов является зависимость удельной проводимости от различных факторов (концентрации, вида примесей, внешних энергетических воздействий). Полупроводниковые материалы разделяются на: 1) простые, например германий (Ge), кремний (Si); 2) химические соединения, например арсенид галлия (GaAs), сульфид кадмия (CdS) и другие соединения.

2.1.1. Взаимодействие электрического поля с диэлектрическими веществами

На рис. 2.1а показано распределение электрического поля в однородном диэлектрическом объекте (веществе).

а б в

1 – электрод; 2 – диэлектрическое вещество (ε_д> 1); 3 – воздух (ε₀= 1);

4 – металл

Рис. 2.1

При помещении внутри однородного диэлектрического вещества 2 другого диэлектрического вещества с меньшей диэлектрической проницаемостью, например воздушного пузырька 3 (рис. 2.1б), внутри него напряженность электрического поля будет больше, чем в однородном диэлектрике. Это обусловлено тем, что диэлектрическая проницаемость вещества больше, чем диэлектрическая проницаемость воздуха ε_д> ε₀. В то же время напряженность поля между пузырьком и электродами уменьшается [12].

При помещении внутри однородного диэлектрического вещества 2 металлического вещества, например шарика 4 (рис. 2.1в), напряженность поля между пузырьком и электродами увеличивается. Внутри шарика электрического поля нет.

Таким образом, по распределению электрического поля можно судить об некоторых свойствах объекта.

При воздействии на диэлектрическое вещество электрическим полем в нем возникает процесс поляризации. Под влиянием электрического поля связанные электрические заряды смещаются в направлении действующих на них сил. В результате поляризации на поверхности диэлектрика образуются заряды обоих знаков. Поляризация – состояние диэлектрика, при котором электрический момент некоторого его объема не равен нулю.

Различают так называемые мгновенные и замедленные виды поляризации. Мгновенные поляризации – это такие поляризации, которые совершаются за очень малое время (10^-13 – 10^-15с) и практически без выделения энергии. К ним относятся: электронная поляризация(ЭП) – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов иионная поляризация(ИП), которая обусловлена смещением упруго связанных зарядов на расстояния, меньшие постоянной решетки. Замедленныевиды поляризации совершаются за более длительное время (10^-3 – 10^-8с) и с выделением энергии. Примерами замедленных поляризаций служат: дипольно-релаксационная поляризация(ДРП), наблюдаемая в материалах с дипольной структурой молекул и обусловленная частичной ориентацией этих молекул в электрическом поле; спонтанная поляризация(СП), которая обусловлена вращением по направлению электрического поля макроскопических областей (доменов) диэлектрика, имеющих собственный нескомпенсированный заряд. СП наблюдается в сегнетоэлектриках. Пример: всегнетовой соли BaTiO₃; ионно-релаксационная поляризация (ИРП) возникает в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов и обусловлена смещением ионов в электрическом поле на расстояния, превышающие постоянные решетки.

На рис. 2.2 показана эквивалентная схема диэлектрического вещества с поляризацией. На схеме С₀, Q₀– емкость и заряд собственного поля электродов, если в пространстве между ними нет диэлектрика; С_П, Q_П– емкость и заряд диэлектрика с электронной (ионной) поляризацией; R₀– сопротивление изоляции, равное сопротивлению диэлектрика токам сквозной электропроводности; R_П– сопротивление, учитывающее потери в диэлектрике.

Мерой поляризации являетсяполяризованность, под которой понимаетсядипольный момент единицы объема. В слабых полях , где – диэлектрическая восприимчиивость. Вместо дипольного момента можно использовать электрическую индукцию:

, (2.1)

г

Рис. 2.2

де– абсолютная диэлектрическая проницаемость;– от­носи­тель­ная диэлектрическая проницаемость вещества;– диэлектрическая постоянная.

Относительная диэлектрическая проницаемостьявляется одной из важнейших характеристик диэлектрика и представляет собой отношение заряда Q, полученного при некотором напряжении на конденсаторе, изготовленном из данного диэлектрика, к заряду Q₀, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:

. (2.2)

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, представляет собой конденсатор определенной емкости, и относительную диэлектрическую проницаемость можно определить как отношение емкости конденсатора с диэлектриком из данного вещества к емкости конденсатора тех же размеров, диэлектриком которого является вакуум:

. (2.3)

Диэлектрическая проницаемость твердых сложных диэлектриков, представляющих собой смесь компонентов, зависит от концентрации компонентов и может быть оценена на основании уравнения Лихтенекера

, (2.4)

где – соответственно относительные диэлектрические проницаемости смеси и отдельных компонентов;θ₁иθ₂ – объемные концентрации компонентов, удовлетворяющие соотношениюθ₁+θ₂ = 1;х – константа, характеризующая распределение компонентов и принимающая значение от +1 до -1.

При значительном различии диэлектрических проницаемостей компонентов смесей для расчетов можно использовать формулу В. И. Оделевского [13], которая для смесей из двух компонентов с различными диэлектрическими проницаемостями может быть представлена в виде

, (2.5)

где .

Наличие свободных зарядов в диэлектрике приводит под воздействием электрического поля к возникновению слабых по величине токов сквозной электропроводимостиJ_СК, которые зависят от напряженности электрического поля Е, удельного сопротивлениявещества. Плотность тока сквозной проводимости, который получил названиетока утечки, определяется по формулеJ_СК = Е/.

Поляризационные процессы смещения связанных зарядов протекают во времени, создавая при этом поляризационные токи, или токи смещения. Плотность тока смещения J_СМопределяется скоростью изменения вектора электрической индукции:J_СМ = dD/dt.

Таким образом, полная плотность тока в диэлектрике равна сумме плотностей тока сквозной проводимости и токов смещения: J = J_СК + J_СМ. Поляризационные токи изменяются во времени, причем после окончания процесса поляризацииJ_СМстановится равным нулю. Поэтому при измерении проводимости образцов из диэлектриков, в случае небольшой выдержки диэлектрика под напряжением, необходимо учитывать поляризационные токи.

Различают объемную и поверхностную электропроводность и соответственно объемное и поверхностное сопротивление твердых диэлектрических материалов. Для сравнительной оценки используются значения удельного объемного сопротивления ρ_V и значения удельного поверхностного сопротивленияρ_S .

Электропроводность образца из твердого диэлектрического материала (объемная и поверхностная) зависит от его размеров, состава, наличия различных дефектов в объеме и на поверхности.

При нахождении диэлектрика в электрическом поле в нем возникают диэлектрические потери, которыми называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике и вызывающую его нагрев.

Величину диэлектрических потерь в электроизоляционном материале можно охарактеризовать удельными потерями– величиной рассеиваемой мощности, отнесенной к единице объема. Наиболее часто для характеристики потерь пользуются углом диэлектрических потерь.

Угол диэлектрических потерь – угол, дополняющий до 90угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Для характеристики диэлектрических потерь очень часто вместо углаиспользуют tg, который может быть определен из векторной диаграммы эквивалентной схемы конденсатора с потерями.

Диэлектрические потери могут обусловливаться как сквозным током, так и токами поляризации. В технических диэлектриках потери вызываются также наличием посторонних полупроводящих примесей (влаги, окислов железа, углерода и др.). К появлению диэлектрических потерь приводит также неод-нородность по составу диэлектрика. Примерами таких диэлектрических материалов являются пластические массы с наполнителями, пористая изоляция и др.

Следует отметить, что общей формулы расчета диэлектрических потерь неоднородных по составу диэлектриков не существует. Если можно представить неоднородный диэлектрик в виде структуры, состоящей из двух слоев, включенных последовательно, то можно получить формулу для определения tgδв виде [13]

, (2.6)

где R₁иR₂– сопротивления слоев, определяемые их удельными сопротивлениями и геометрическими размерами; С₁и С₂– эквивалентные емкости слоев, зависящие от их диэлектрической проницаемости и геометрических размеров.

Таким образом, по значениям сопротивления, диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь можно судит о некоторых свойствах диэлектрического объекта (составе, наличии дефектов и др.).