Transcript + T
DIELEKTRYKI Wykład 2 18.11.2010 Tadeusz Hilczer 1 Zasada pomiaru przenikalności elektrycznej I-sza możliwość: - kondensator jest stale włączony do obwodu pomiarowego 1. pomiar C1= C0 dielektryk 2. pomiar C2= eC0 wynik e = Cmiernik 2/C1 prądu Tadeusz Hilczer 2 Zasada pomiaru przenikalności elektrycznej II-sza możliwość: - kondensator jest włączany do obwodu pomiarowego na czas pomiaru 1. pomiar C1= C0+Cd Tadeusz Hilczer 3 Zasada pomiaru przenikalności elektrycznej II-sza możliwość: - kondensator jest włączany do obwodu pomiarowego na czas pomiaru 1. pomiar C1= C0+Cd dielektryk 2. pomiar C2= eC0+Cd wynik e -1 = (C2-C1)/C0 e -1 = - podatność elektryczna Tadeusz Hilczer 4 Wyznaczanie stałej materiałowej x x = f(a,b,c,d,...) stan skupienia parametry: temperatura ciśnienie pola zewnętrzne jeszcze coś jeszcze coś Tadeusz Hilczer 5 Wyznaczanie stałej materiałowej x - pomiar temperaturowy x = f(T) stan skupienia = const parametry: temperatura zmienna ciśnienie = const pola zewnętrzne = const jeszcze coś = const jeszcze coś = const Tadeusz Hilczer 6 Wyznaczanie stałej materiałowej x - pomiar ciśnieniowy x = f(p) stan skupienia = const parametry: temperatura = const ciśnienie zmienne pola zewnętrzne = const jeszcze coś = const jeszcze coś = const Tadeusz Hilczer 7 Wyznaczanie stałej materiałowej x - pomiar temperaturowy i ciśnieniowy x = f(T,p) stan skupienia = const parametry: temperatura zmienna ciśnienie zmienne pola zewnętrzne = const jeszcze coś = const jeszcze coś = const Tadeusz Hilczer 8 Pomiar przenikalności elektrycznej w warunkach ustalonych - komórka pomiarowa - bez dielektryka T = const Vkom = V0 p = const V = const Cpom = C0 Tadeusz Hilczer 9 Pomiar przenikalności elektrycznej w warunkach ustalonych - komórka pomiarowa - z dielektrykiem idealnym T = const Vkom = V0 p = const V = const Cpom = e(T0)C0 Tadeusz Hilczer 10 Temperaturowy pomiar pojemności elektrycznej - komórka pomiarowa - z dielektrykiem idealnym T = rośnie Vkom = V0+DV(p,T) p = rośnie V = const Cpom = e(T0,p)C0(T) Tadeusz Hilczer 11 Temperaturowy pomiar pojemności elektrycznej - komórka pomiarowa - z dielektrykiem idealnym T = rośnie Vkom = V0+DV(T) p = const V = rośnie Cpom = e(T0)C0(T) Tadeusz Hilczer 12 Temperaturowy pomiar pojemności elektrycznej czujnik temperatury T1 DT = T2-T1 0 Ttermostatu T2 temperatura Te = (1/2)(T1 + T2) Tadeusz Hilczer 13 Temperaturowy pomiar pojemności elektrycznej DV = 0 DT = 0 temperatura Te Tadeusz Hilczer 14 Temperaturowy pomiar pojemności elektrycznej DV = 0 DT = 0 DV = 0 temperatura Te = Ttermostatu Tadeusz Hilczer DT = 0 15 Pomiar pojemności elektrycznej - metoda podstawienia kondensator wzorcowy układ pomiarowy C(e) Tadeusz Hilczer 16 Pomiar pojemności elektrycznej - metoda podstawienia kondensator wzorcowy układ pomiarowy C(e) Tadeusz Hilczer 17 Pomiar pojemności elektrycznej wskaźnik równowagi - metoda mostkowa kondensator wzorcowy C(e) Tadeusz Hilczer 18 Dielektryk w polu przemiennym Zależność polaryzacji dielektryka od częstości Tadeusz Hilczer 19 Dielektryk w polu przemiennym Zależność polaryzacji dielektryka od częstości Tadeusz Hilczer 20 Dielektryk w polu przemiennym Zależność polaryzacji dielektryka od częstości Tadeusz Hilczer 21 Dielektryk w polu przemiennym Zależność polaryzacji dielektryka od częstości Tadeusz Hilczer 22 Dielektryk w polu przemiennym - przenikalność elektryczna dielektryka w przemiennym polu elektrycznym (dielektryk o jednym rodzaju trwałych dipoli molekularnych) e * e b (t ) exp(it )dt 0 e - przenikalność elektryczna przy wysokich częstościach b(t) - współczynnik zaniku, określający opóźnienie zmian polaryzacji względem zmian pola elektrycznego - Debye (1912) zaproponował wykładniczą formę współczynnika zaniku t – czas relaksacji t b (t ) b (0) exp t Tadeusz Hilczer 23 Polaryzacja deformacyjna - polaryzacja deformacyjna (atomowej, jonowej, elektronowej) model oscylatora harmonicznego, • przesunięcie przez pole elektryczne ładunków przeciwnych znaków, związanych ze sobą sprężyście, wywołuje polaryzację ośrodka, • po usunięciu pola ładunki wracają do położeń równowagi wykonując drgania, które zanikają z szybkością określoną tłumieniem (lepkością ośrodka) • gdy polaryzację deformacyjną wywołuje pole przemienne układ złożony z oscylatorów może przy pewnej charakterystycznej częstości 0 absorbować energię • zjawisko analogiczne do absorpcji rezonansowej w obwodzie elektrycznym zawierającym opór omowy, pojemność oraz indukcyjność Tadeusz Hilczer 24 Polaryzacja deformacyjna • drganie oscylatora o masie m wychylonego z położenia równowagi o r: d 2r dr k d 2r dr 2b r 2b 02r 0 dt dt m dt dt b - współczynnik tłumienia 0 - częstość drgań oscylatora nietłumionego (k=0) r r0 exp( bt ) cos t ; 02 b 2 - tłumienie powoduje rozszerzenie linii rezonansowej szerokość połówkowa D Tadeusz Hilczer 25 Polaryzacja deformacyjna A 1.0 D 0.5 0 b b 0 Tadeusz Hilczer 26 Polaryzacja orientacyjna P Po P/n t Pd 0 t0 t Tadeusz Hilczer 27 Dyspersja i absorpcja e’-1 e” /0 Tadeusz Hilczer 28 Równania dyspersyjne Debye’a - polaryzacja dipolowa Pd jest wielkością zespoloną przesunięta w fazie w stosunku do pola E es e Pd e0E 1 it D - całkowita polaryzacja P jest też wielkością zespoloną: P P Pd es e P * P'iP " e 1e 0 E e0E 1 it D Tadeusz Hilczer 29 Równania dyspersyjne Debye’a - równanie dyspersyjne Debye’a określa zależność zespolonej przenikalności elektrycznej e* od częstości es e P'iP " e * e 'ie " 1 e e0E 1 it D e * e 1 es e 1 it D e * e - tangens kąta strat: e s e tD es e i 1 2t D2 1 2t D2 e ' e " es e e" tg t D 2 2 e ' e s e t D Tadeusz Hilczer 30 Równania dyspersyjne Debye’a - dyspersja es e e ' e 1 2t D2 e’() e - absorpcja e s e t D e " 2 2 e”() log(t) 1 t D Tadeusz Hilczer 31 Znormalizowane równania dyspersyjne Debye’a - równania dyspersyjne Debye’a można zapisać w postaciach umożliwiających wyznaczenie różnych charakterystyk eksperymentalnych - wygodną skalą dla częstości jest skala logarytmiczna - wprowadzamy zmienną: x lnt D - znormalizowane równania dyspersyjne: e ' e ex 1 x 1 tgh x x es e e e 2 e " 1 1 1 x e s e e e x 2 cosh x Tadeusz Hilczer 32 Przewodnictwo właściwe - przewodnictwo właściwe: es e G e0e " e0 t D 2 2 1 t D - znormalizowane przewodnictwo właściwe: Gt D ex 1 x x 1 tghx e 0 e s e e e 2 - krzywa przewodnictwa jest zwierciadlanym odbiciem krzywej dyspersji Tadeusz Hilczer 33 Znormalizowane równania dyspersyjne Debye’a Gt e 0 e s e przewodnictwo Tadeusz Hilczer 34 Znormalizowane równania dyspersyjne Debye’a Gt e 0 e s e e 'e es e dyspersja przewodnictwo - duże wartości G powyżej obszaru relaksacji pochodzą od niezależnych oscylacji ładunków przeciwnych znaków (dla małych częstości E ładunki te są sprzężone i tworzą dipole molekularne) Tadeusz Hilczer 35 Znormalizowane równania dyspersyjne Debye’a Gt e 0 e s e e 'e es e dyspersja przewodnictwo e" es e absorpcja Tadeusz Hilczer 36 Spektroskopia dielektryczna gdy dielektryk z dipolami molekularnymi znajduje się w zmiennym polu elektrycznym: E E0 expit - można wyróżnić 2 stany równowagi: Ps e s 1e 0 E • (pole wysokiej częstości) P e 1e 0 E • 0 (pole statyczne) - szybkość zmian polaryzacji dipolowej: dPd Ps P Pd e s e Pd e0E dt tD tD tD Tadeusz Hilczer 37 Spektroskopia dielektryczna - zależności liniowe pomiędzy e’ i e” - z równań dyspersyjnych Debye’a: es e e ' e 1 2t D2 es e e " t D 2 2 1 t D liniowe związki pomiędzy e’ i e”: e " e ' e t D e ' e s e " tD Umożliwiają one wyznaczenie - makroskopowego czasu relaksacji tD - oraz wartości e oraz es Tadeusz Hilczer 38 Półokrąg Cole-Cole K.S. Cole i R.H. Cole pokazali, że eliminując z równań dyspersyjnych Debye’a: es e e ' e 1 2t D2 es e e " t D 2 2 1 t D otrzymuje się równanie okręgu: e ' • współrzędne środka: es e • promień: 2 es e 2 2 es e e " 2 2 2 es e e " 0 2 e' Tadeusz Hilczer 40 Półokrąg Cole-Cole e " 0 - sens fizyczny ma tylko połowa okręgu e” e es e’ - gdy wyniki doświadczalne leżą na półokręgu relaksację dielektryczną opisuje prosty model Debye’a (identyczne dipole w identycznym otoczeniu jeden czas relaksacji tD) - półokrąg Debye’a umożliwia ekstrapolację do wartości e i es nawet dla małej liczby punktów doświadczalnych Tadeusz Hilczer 41 Odstępstwa od modelu Debye’a • W realnych dielektrykach obserwuje się często odstępstwa od prostego modelu Debye’a z pojedynczym czasem relaksacji tD. e" es e Tadeusz Hilczer 42 Odstępstwa od modelu Debye’a • poszerzenie zakresu częstości, w którym występuje dyspersja e’() • zmniejszenie absorpcji dielektrycznej e”max() e" es e Tadeusz Hilczer 43 Odstępstwa od modelu Debye’a • poszerzenie zakresu częstości, w którym występuje dyspersja e’() • zmniejszenie absorpcji dielektrycznej e”max() e" es e Tadeusz Hilczer 44 Odstępstwa od modelu Debye’a • poszerzenie zakresu częstości, w którym występuje dyspersja e’() • zmniejszenie absorpcji dielektrycznej e”max() e" es e Tadeusz Hilczer 45 Odstępstwa od modelu Debye’a • poszerzenie zakresu częstości, w którym występuje dyspersja e’() • zmniejszenie absorpcji dielektrycznej e”max() e" e s e"e es e e 'e es e wg równań Debye’a Tadeusz Hilczer 46 Odstępstwa od modelu Debye’a Odstępstwa od modelu Debye’a przejawiają się jako pojawienie się zamiast pojedynczego czasu relaksacji tD rozkładu czasów relaksacji f(t) Funkcja relaksacji (t) jest w tym przypadku określona jako: t t f t exp dt t Rozkład czasów relaksacji związany jest z: różnicami budowy molekularnych dipoli różnicami otoczenia identycznych dipoli molekularnych Tadeusz Hilczer 47 Równanie Cole-Cole K.S. Cole i R.H Cole zaproponowali do opisu dyspersji dielektryków złożonych zamiast dyspersyjnego równania Debye’a: e * e 1 es e 1 it D równanie empiryczne: e * e 1 1 es e 1 itCC - empiryczny parametr (0<1) dla =0 równanie Cole’a-Cole’a równanie Debye’a Tadeusz Hilczer 48 Równanie Cole-Cole - wykresem równania Cole’a – Cole’a jest łuk półokręgu o środku położonym poniżej osi e’ e" 0 v u e R 2 es e' e s e e s e π 2 ; 2 tg 2 Tadeusz Hilczer 49 Równanie Davidsona-Cole - łuk Cole’a–Cole’a symetryczny względem prostej równoległej do osi e” - punkty doświadczalne często na łuku asymetrycznym - równanie empiryczne Davidsona – Cole’a: e e 1 es e 1 it DC b b – empiryczny parametr (0< b 1) e ' e (e s e ) cosb cosb e " (e s e ) cos sin b b t tg - dla b =1 równanie Davindsona - Cole’a równanie Debye’a Tadeusz Hilczer 50 Wykres Davidsona-Cole e ' e (e s e ) cosb cosb e " (e s e ) cosb sin b e” b= 1 0,8 0,6 0,4 0,2 e es Tadeusz Hilczer e’ 51 Równanie Havriliaka-Negami Wszystkie trzy przypadki równań dyspersyjnych Debye’a, Cole’a-Cole’a oraz Davidsona–Cole’a obejmuje empiryczne równanie zaproponowane przez S. Havriliaka i S. Negami: e * e 1 1 es e 1 it HN Dla b =0 i b=1 r. Debye’a =0 r. Davidsona – Cole’a b=0 r. Cole’a – Cole’a Równanie Havriliaka–Negami dobrze opisuje poszerzony (w stosunku do modelu Debye’a) obszar dyspersji i absorpcji dielektrycznej w układach złożonych takich jak polimery. Tadeusz Hilczer 52 Funkcja relaksacji Debye’a Modelowi Debye’a (z pojedynczym czasem relaksacji tD) odpowiada makroskopowa funkcja relaksacji: t t exp tD a relaksacyjna część zespolonej przenikalności elektrycznej e*() związana jest z jednostronną transformatą Fouriera tej funkcji: e * e 1 i t es e Tadeusz Hilczer 53 Funkcja relaksacji Kohlrauscha-Wiliamsa-Wattsa Do opisu relaksacji dielektrycznej układów złożonych w domenie czasu stosuje się często tzw. „rozciągniętą” funkcję eksponencjalną (Stretched exponent) Kohlrauscha-Williamsa-Wattsa: t KWW t exp t KWW b Funkcja ta, została zastosowana przez B. Kohlrauscha do opisu zaniku ładunku w butelce lejdejskiej. Do opisu relaksacji dielektrycznej w amorficznych polimerach została ona zastosowana przez G. Williamsa i D.C. Wattsa Funkcja KWW opisuje również inne zjawiska relaksacji w polimerach, np. relaksację NMR, relaksację mechaniczną. Tadeusz Hilczer 54 Spektroskopia dielektryczna - spektroskopia dielektryczna w domenie częstości - spektroskopia dielektryczna w domenie czasu - spektroskopia dielektryczna obejmuje zakres częstości od 10-4 Hz do 1014 Hz - takiego przedziału częstości nie realizuje żadna metoda pomiarowa muszą być wykorzystane rozmaite zasady - mostki metody impedancyjne - metody rezonansowe - linie koaksialne - falowody - metody transientowe - linie paskowe Tadeusz Hilczer 55 Metody eksperymentalne spektroskopia dielektryczna w domenie częstości spektroskopia dielektryczna w domenie czasu 10-4 10-2 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 f (Hz) metody mostkowe metody rezonansowe metody koaksialne metody mikrofalowe rezonatory Tadeusz Hilczer 56 Metody eksperymentalne spektroskopia dielektryczna w domenie częstości spektroskopia dielektryczna w domenie czasu 10-4 10-2 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 f (Hz) metody impedancyjne (cyfrowe) metody koaksialne metody mikrofalowe rezonatory Tadeusz Hilczer 57 Metody eksperymentalne - komórka pomiarowa jest kondensatorem - pomiędzy okładkami znajduje się dielektryk rzeczywisty - kondensator ma określone straty układem zastępczym jest oporność R równolegle połączona do pojemności C C R - zespolona impedancja Z obwodu odwrotność zespolonej admitancji Y: Y = G + iC - konduktancja G: 1 G R Tadeusz Hilczer 58 Przykład - do obwodu o stałej oporności R i stałej pojemności C włączony jest w chwili t = 0 impuls elektryczny U(t) C R - impuls U(t) ma kształt półokresu sinusoidy U(t) /0 t 0 - wyznaczamy prąd I(t) płynący przez obwód po czasie /0 - stosujemy metodę Laplace’a Tadeusz Hilczer 59 Przykład - odpowiedź układu na pobudzenie impulsem: π 1 U 0C0 dQ(t ) 1 I (t ) 2 2 2 exp t 1 exp dt RC R C 0 1 RC 0 Tadeusz Hilczer 60 Obwód zastępczy komórki pomiarowej - kondensator z dielektrykiem - opór zastępujący straty - kondensatory kompensujące pojemności rozproszone - indukcyjność kompensująca Tadeusz Hilczer 61 Mostek Wheatstone’a Z1=1/Y1 Z2=1/Y2 D Z3=1/Y3 Z4=1/Y4 ˜ generator Tadeusz Hilczer 62 Miernik dobroci (Q-metr) generator pomiar napięcia U(t) Tadeusz Hilczer pomiar natężenia I(t) 63 Miernik dobroci (Q-metr) U (t ) U 0 cos(t ) I (t ) I0 cos(t ) re(I * exp(it )) Tadeusz Hilczer 64 Miernik dobroci (Q-metr) - transformata Fouriera po n okresach nT 2 I (t ) I 'iI " I (t ) exp(it )dt nT 0 I '' I 0 I ' I ' ' ; tg( ) I' U0 * Z ( ) Z 'iZ " * I ( ) 2 - impedancja: 2 - przenikalność dielektryczna i 1 e ( ) e 'ie " Z * ( ) C0 * - przewodnictwo 1 d ( ) 'i " * Z ( ) A * Tadeusz Hilczer 65 FTT - zastosowanie metody Fouriera do impulsu w postaci dyskretnej wymaga wyrażenia całki Fouriera w postaci dyskretnej - dla impulsu x(t) zawartego w przedziale (0,tm) po procedurze próbkowania N dyskretnych wartości częstości n - dyskretna transformata Fouriera: kn N 1 nk xn xk exp 2πi x W ; k 0,1, 2, ... N - 1 k N k 0 k 0 N 1 - dyskretna odwrotna transformata Fouriera: kn 1 N 1 nk x exp 2 πi x W ; k 0,1, 2, ... N - 1 n n N N k 0 k 0 2πi W exp N Tadeusz Hilczer 66 66 1 Xn N N 1 FTT - dla uzyskania dokładnej analizy impulsu potrzebna jest duża liczba próbek N - obliczenie współczynników dyskretnej transformaty Fouriera za pomocą procedur komputerowych - liczba operacji matematycznych rzędu N 2 - w roku 1965 J.W.Cooley i J.W.Tukey opracowali algorytm obliczania transformat szybką transformatę Fouriera FFT (Fast Fourier Transform) - liczba operacji matematycznych rzędu 2N lnN - dla N = 1000 do wyliczenia transformaty około 100 razy mniej operacji Tadeusz Hilczer 67 FTT - algorytm FFT kolejne stosowanie filtrowania cyfrowego - opracowano kilka procedur filtrowania - w obliczeniach komputerowych liczba próbek N parzysta równa 2k - gdy liczba N jest mniejsza od najbliższej liczby 2k uzupełnia odpowiednia liczba zer - próbki xk dzieli się na dwie grupy o liczebności N /2 - grupa yk parzyste liczby k - grupa zk nieparzyste liczby k Tadeusz Hilczer 68 FTT A xk t zk yk Tadeusz Hilczer 69 FTT - transformaty obu grup: Yn Zn ( N / 2 ) 1 2 nk y W k k 0 ( N / 2 ) 1 2 nk z W k k 0 - transformata całego zbioru N próbek jest sumą transformat obu grup: Xn ( N / 2 ) 1 k 0 kn kn kn yk exp 4πi N exp 2πi N z k exp 4πi N y W ( N / 2 ) 1 k 0 k 2 nk W n z kW 2 nk Yn Z nW n Tadeusz Hilczer 70 FTT - ponieważ: X n N / 2 Yn Z nW n Yn Z nW nN / 2 dla 0 ≤ n < N /2 - obliczenia transformaty Xn można ograniczyć dla przedziału 0 ≤ n < N /2 - dla przedziału N /2 < n N wartości Yn i Zn mają te same wartości co dla przedziału 0 < n < N /2 Tadeusz Hilczer 71 FTT - jeżeli liczba N /2 jest parzysta kolejny podział - jeżeli liczba N /4 jest parzysta kolejny podział - każdy podział zmniejsza liczbę koniecznych operacji - zbiór próbek o N elementach opisujący impuls - N zbiorów o 1 elemencie - impuls opisany zbiorem N równań, złożonych z sum i prostych iloczynów Tadeusz Hilczer 72 FTT 18 24 42 81 graficzny obraz filtrowania numerycznego dla N = 8 Tadeusz Hilczer 73 FTT - dla N = 4 , po pierwszym podziale na dwa podzespoły X 0 Y0 Z 0W 0 X 1 Y1 Z1W 1 X 2 Y0 Z 0W 2 Y0 Z 0W 0 X 3 Y1 Z1W 3 Y1 Z 0W 1 - gdzie Y0 y0W 0 y1W 0 , Y1 y0W 0 y1W 2 Z 0 z0W 0 z1W 0 , Z1 z0W 0 z1W 2 Tadeusz Hilczer 74 FTT - ostatecznie: X 0 x0W 0 x1W 0W 0 x2W 0 x3W 0W 0 X 1 x0W 0 x1W 0W 1 x2W 2 x3W 2W 1 X 2 x0W 0 x1W 0W 0 x2W 0 x3W 0W 0 X 3 x0W 0 x1W 0W 1 x2W 2 x3W 0W 1 Tadeusz Hilczer 75 Spektroskopia dielektryczna e’ e” -6 -3 0 3 6 9 12 log (f[Hz]) 15 FTIR mm Analiza sieciowa koaksialne mostki Domena częstości Domena czasu Komórka optyczna kondensator Tadeusz Hilczer Komórka koaksialna krótkozwarta Linia koaksialna 76