Зависимости ε и tg δ от частоты и температуры

Вид частотных характеристик релаксационной поляризации показан на рисунке. Заметим, что величина ε=εtg δ и при заданной напряжённости электрического поля активная мощность, выделяющаяся в диэлектрике пропорциональна ε и монотонно растёт с увеличением частоты.

По мере увеличения частоты коэффициент ε возрастает, достигая максимума, а затем снижается. Физически это можно объяснить так. При низкой частоте релаксационная поляризация успевает полностью развиться, вектор поляризации совпадает по фазе с напряжённостью поля и вещественная часть диэлектрической проницаемости ε_п – максимальная и tg δ_п ≈0.

Рис. Частотные характеристики диэлектрических свойств льда при t=-10ºC

При увеличении частоты частицы диэлектрика в своём следовании за изменениями электрического поля испытывают тепловые соударения. Интервал между соударениями значительно меньше времени релаксации. Тепловые соударения препятствует направленному смещению или ориентации частиц, создавая некоторое «трение», на преодоление которого расходуется энергия.

При «трении» всегда может иметь место отставание движущейся частицы от той силы, которая вызывает движение. По тому в переменном электрическом поле между поляризацией и напряжённостью поля возникает разность фаз. Эта разность фаз достигает максимального значения при частоте f_max. При дальнейшем повышении частоты релаксационная поляризация перестает развиваться и остается только упругая поляризация, возникающая без запаздывания. Для упругой поляризации tg δ=0 .

Выше были рассмотрены свойства диэлектриков при отсутствии сквозной проводимости. Однако часто оказывается, что сквозная проводимости существенно изменяет частотные характеристики и сквозная проводимость может играть более важную роль в процессе нагрева диэлектриков, чем релаксационные явления.

Температурные характеристики релаксационной поляризации

Изменение температуры оказывает существенное влияние на параметры диэлектрика, находящегося в электрическом поле. В этом влиянии можно выделить три направления.

1. С ростом температуры уменьшается время релаксации τ. Интенсивность теплового движения возрастает, частицы вещества чаще меняют положение равновесия. Процесс поляризации ускоряется. Уменьшение времени релаксации особенно характерно для вязких полярных жидкостей, вязкость которых сильно понижается с ростом температуры.

2. С ростом температуры увеличивается электрическая проводимость диэлектрика.

3. С ростом температуры уменьшается релаксационная поляризации и соответственно прирост диэлектрической проницаемости за счет релаксационной поляризации. Усиление теплового движения препятствует завершению поляризации диэлектрика, стремясь нарушить преимущественную ориентацию дипольных моментов по направлению электрического поля. Отрицательное влияние повышения температуры заключается в ослаблении поляризации.

Рис. Температурные характеристики релаксационной поляризации.

Теория дугового и плазмодугового нагрева.

Ионизация газов. Понятие плазмы.

В обычных условиях газы и их смеси (воздух, аргон, водород, гелий, углекислый газ и др.) не проводят электрический ток. Проводимость возникает тогда, когда в среде кроме молекул и атомов имеются свободные заряженные частицы-электроны, положительные и отрицательные ионы и газ превращается в плазму.

Плазмой называют вещество, находящееся в четвёртом состоянии (в дополнение к твёрдому, жидкому и газообразному), характеризующееся наличием нейтральных молекул и атомов, а также заряженных частиц-электронов и ионов, проводящее электрический ток и подчиняющее законам магнитной газодинамики.

Превращение газа в плазму проходит несколько стадий. Для молекулярных газов первым этапом является диссоциация-образование атомов. Возникновение в газе заряженных частиц - ионизация газа – может происходить в результате его нагрева, поглощения энергии рентгеновского или ультрафиолетового излучения, космических лучей, лучей оптического квантового генератора (лазера), действия электрического поля и др.

Отрицательные ионы образуются при захвате молекулой или атомом свободных электронов, что возможно лишь для электроотрицательных элементов при весьма малой скорости электронов. Положительные ионы возникают при потере нейтральных частицей одного или несколько электронов.

Образование электронов требует затраты энергии извне на преодоление кулоновских сил притяжения между электроном и положительном ионом, называемой энергией (работой) ионизацией.

A_и=e_o·U_и,

где e_o - заряд электрона; U_и - потенциал ионизации (равен разности потенциалов, которую должен пройти электрон, чтобы приобрести кинетическую энергию, достаточную для ионизации атома при соударении с ними). Численно величины А_и и U_и равны, если А_и выражать в электрон-вольтах.

Работа ионизации определяет химическую активность элемента, поскольку при ионизации открываются валентные электроны (А_и = 3,9÷26 эВ). После отрыва наиболее слабо связанных электронов от атома могут отрываться электроны, связанные сильнее. При этом образуются многократно ионизированные ионы. Для двух кратной ионизации, например, L_i энергия ионизации составляет 75,6 эВ.

Движение заряженной частицы в электрическом поле равноускоренное, аналогичное свободному падению тела, но сила, действующая на частицу, зависит от её заряда, а не от массы.

Уравнение сил, действующих на частицу массой m и единичным зарядом e_o, имеет вид.

(1)

где Е – напряженность электрического поля, В/м; m – масса частицы, г; v – скорость частицы, м/с; а – ускорение, м/с².

При начальной скорости V_o=0, скорость в момент времени τ

(2)

Пройденный путь за время τ

L_τ=0.5vτ=(0.5e_o/m)Eτ²

Т.е. скорость и пройденный частицей путь определяются её удельным зарядом е_о/m .Поэтому при свободном движении частиц в одном и том же поле скорости электронов много больше скорости ионов.

Основным видом ионизации при наличии электрического поля является ударная ионизация электроном. Вышедший из катода электрон под действием градиента поля ускоряется и при столкновении с нейтральными атомами или молекулами может выбить один электрон или придать атому или молекуле некоторую скорость. Так, при движении электрона от катода к аноду произойдёт ряд столкновений, в результате чего температура газа повысится. При высоком давлении и больших градиентах поля этот вид ионизации может привести к значительному повышению температуры и росту сквозного тока проводимости.

Роль ионной ионизации из-за меньшей скорости в дуговых разрядах не велика. Однако при высоких температурах, когда скорость теплового движения молекул значительно возрастает, соударения ионов и нейтральных частиц приводит к термической ионизации газа. Роль этого вида ионизации весьма значительна при высоких температурах и давлениях.

Фото ионизация – ионизация атомов излучением возможно лишь в том случае, если энергия фотона hv превышает работу ионизации А_и :

hv=c/λ≥A_и

где v – частота излучения, 1/с; h – постоянная Планка; c – скорость света, м/с; λ – длина световой волны, м.

Расчет показывает, что для ионизации атома азота (U_u=12,4 В) максимальная длина волны (красная граница фотоэффекта) λ_max=0,085 мкм, т. е. только ультрафиолетовые лучи могут вызвать ионизацию атомов.

Т.к. все виды ионизации связанны с повышением скорости взаимного перемещения частиц, то следует предположить, что и наложение высокочастотного напряжения должно приводить к ионизации пространства. Действительно, приложение ВЧ – напряжения приводит к значительной ионизации появлению ВЧ – короны даже при низких напряжениях.

Одновременно с процессом ионизации происходит деионизация – рекомбинация положительных и отрицательных частиц и диффузия их за пределы ионизированного объёма газа. Между этими процессами стационарных условиях существует равновесие, характеризуемое степенью ионизации, которое определяется отношением числа ионов и электронов к полному числу нейтральных атомов в единице объёма. Зависимость степени ионизации от температуры, давления и рода газа записывается уравнением Саха:

где x – отношение числа ионов или электронов к полному числу нейтральных молекул в единицы объёма деионизации; p - давление, Па; T - температура; К; e_o·U_и - работа ионизации, Дж; K – постоянная Больцмана, Дж/К.

Из уравнения Саха следует, что термическая ионизация становится заметной при температуре, превышающей 2000 – 3000 K и приближается к 100%-й ионизации из 10000 – 30000 К. Степень ионизации особенно высока при содержании газовой среде паров щелочных металлов.

Процесс деионизации зависит от давления и температуры и в некоторой степени определяется коэффициентом рекомбинации:

При повышении давления и понижении температуры плазма быстро деионизируется и теряет электропроводность, превращаясь в нейтральный газ. Процесс деионизации ускоряется диффузией заряженных частиц из нагретых плазменных объёмов. Коэффициент диффузии

D=λ·V/3,

где V – средняя скорость заряженных частиц, м/с; λ – длина свободного пробега, м.

Электроны диффундируют заметно быстрее ионов. Обычно количество существующих зарядов разного знака вследствие процессов ионизации и рекомбинации в объёме плазмы примерно одинаково и суммарный заряд плазмы равен нулю. Такую плазму называют квазинейтральной, т.е. почти нейтральной.

Существует понятие равновесной и неравновесной плазмы. Плазму называют равновесной в том случае, если температуры её компонентов – молекул, атомов, ионов и электронов – одинаковы. Такую плазму называют также изотермической. Неравновесной или неизотермической называют плазму, у которой температуры компонентов различны. Отсутствие равновесия может наблюдаться при низких давлениях, а также сильных электрических полях. Это случай, когда средняя скорость электронов превышает среднюю скорость других частиц, что и соответствует повышенной температуре.