Курсовая работа: Изучение особенностей электрических свойств магнитных жидкостей

Первыми работами, которые послужили основой для использования методов измерения диэлектрической проницаемости, были работы химика Друде (1897), в которых была установлена эмпирическая связь между строением молекул и диэлектрическими потерями, и Дебая (1925-1929), установившего связь между величиной диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь со строением молекул.

Первым аналитическим применением измерений диэлектрической проницаемости было определение содержания влаги (Берлинер, Рютер,1929) в органических соединениях. Позднее были разработаны методы определения чистоты органических соединений, методы анализа бинарных органических систем и в 1950­­–1960 гг. впервые были опубликованы методы диэлектрометрического титрования органических систем.

Следует отметить, что методы диэлектрометрии разработаны главным образом применительно к анализу непроводящих органических систем, что не исчерпывает всех возможностей диэлектрометрии.

Итак, относительная диэлектрическая проницаемость ε определяется как отношение ёмкости С конденсатора, диэлектриком у которого является в данном случае исследуемая магнитная жидкость, к ёмкости С₀ конденсатора, диэлектриком у которого является вакуум:

Из этого соотношения видно, что относительная диэлектрическая проницаемость ε является величиной безразмерной и не зависит от выбора системы единиц.

Для безвоздушного пространства ε=1, для воздуха ε=1,0006, для остальных веществ ε > 1. При внесении диэлектрика между электродами конденсатора наблюдается увеличение ёмкости в ε раз. Причиной этого является поляризация диэлектрика, вследствие чего на поверхностях соприкосновения электродов с диэлектриком возникают связанные заряды, способствующие уменьшению в ε раз интенсивности поля Е и разности потенциалов:

Абсолютная диэлектрическая проницаемость ε_а , в отличие от относительной, имеет размерность [ф·м^-1 ]. Между абсолютной и относительной диэлектрическими проницаемостями существует следующая зависимость:

ε_а = ε ε₀ ,

где ε₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума, имеющая следующую размерность в единицах СИ:

ε₀ = 10⁷ /4πС² ф·м^-1 = 8.85·10^-12 ф·м^-1 ,

где скорость света в вакууме С= 2.998·10⁸ м·сек^-1 .

Сила взаимодействия наэлектризованных тел, согласно закону Кулона

зависит как от электрических зарядов этих тел q₁ и q₂ и расстояния между ними r, так и от среды, в которой находятся взаимодействующие тела, характеризуемой абсолютной и относительной диэлектрическими проницаемостями.

Смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием электрического поля обнаруживается как соответствующий ток смещения. Его мерой является величина диэлектрического тока I_D , определяющегося как электрический заряд, который в процессе зарядки или разрядки конденсатора пересёк единицу поверхности, находящуюся перпендикулярно направлению перемещения заряда. Между величиной электрического поля Е, плотностью тока смещения I_D и относительной диэлектрической проницаемостью существует линейная зависимость

I_D = ε ε₀ E.

Ток смещения существует и в проводниках. При наложении постоянного напряжения на проводник через него протекает большой ток. В этом случае можно говорить о диэлектрической проницаемости проводящих веществ.

Из сказанного видно, что диэлектрическая проницаемость является мерой поляризации диэлектрика и является константой, присущей данному веществу.

2.2. Зависимость диэлектрической проницаемости от различных физических величин.

При измерении диэлектрической проницаемости исследуемого вещества необходимо помнить и учитывать зависимости проницаемости от различных величин. Например, если диэлектрик находится в переменном электрическом поле, то его поляризация зависит от частоты поля. При низких частотах изменение индукции следует за изменением поля без запаздывания. Изменение электрического поля и поляризация находятся в фазе и относительная диэлектрическая проницаемость имеет максимальную величину (ε = ε’). С повышением частоты ориентация диполей всё больше не успевает следовать за изменением поля. Происходит отставание по фазе ориентационной поляризации молекул от изменений поля и при очень высоких частотах ориентационная поляризация полностью исчезает (ε’ << ε) – наблюдается так называемая дисперсия диэлектрической проницаемости.

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости имеет сложный вид, зависит от структуры вещества и применяемой для измерения частоты.

Особенно сильные изменения температурной зависимости диэлектрической проницаемости наблюдаются при структурных изменениях молекул, при фазовых переходах и т.п.

Величина диэлектрической проницаемости в значительной степени зависит от структуры молекулы. Для веществ, имеющих полярные молекулы, и, следовательно, дипольные моменты, диэлектрическая проницаемость велика. У электрически симметричных молекул результирующий дипольный момент практически равен нулю. С уменьшением симметричности молекулы величина диэлектрической проницаемости увеличивается.

Что касается зависимости диэлектрической проницаемости от агрегатного состояния вещества, то здесь нам интересны коллоиды и эмульсии. Эти состояния, в которых могут находиться магнитные жидкости, имеют много общих диэлектрических свойств. Диэлектрическое поведение водных коллоидных растворов определяется структурой коллоидных частиц. На величине диэлектрической проницаемости сказываются также физико-химические свойства коллоидов, такие, как анизотропия, образование мицелл. У гидрофильных коллоидов (желатин) часть молекул воды внедряется в мицеллы и не участвует в ориентационной поляризации. Вода, связанная в мицеллах в отличие от свободной имеет диэлектрическую проницаемость ε ≈ 2.

Для эмульсий, как и для коллоидов, простые уравнения смешения не применимы, так как результаты зависят от степени дисперсности дисперсной фазы.

Если в дисперсной среде, имеющей диэлектрическую проницаемость ε₂ , распределена нерастворимая фаза с проницаемостью ε₁ , то для получаемой при этом разности диэлектрических проницаемостей Δε=ε_эм –ε₂ применимо уравнение