Научная работа: «Разделение зарядов при фазовых переходах»

Научно-технический конкурс работ школьников «СТАРТ В НАУКУ»

____________________________________________________________________________

Научная работа:

«Разделение зарядов при фазовых переходах»

Выполнил: Пономарев Евгений, 11 класс,

МАОУ лицей № 82, г. Челябинск

Научный руководитель: Иванова Марина

Александровна, учитель физики, МАОУ

лицей №82, г. Челябинск

г. Долгопрудный, Московская область

2011

Введение.

В современных приборах, устройствах повсеместно применяются различные диэлектрики, но практически всегда при их использовании учитываются только один параметр - их диэлектрическая проницаемость. Однако в эти вещества имеют огромное количество других свойств, обусловленных некоторыми процессами, в них протекающими.

Так, в своей работе я обратил внимание на два, как мне кажется, взаимосвязанных (общей природы) явления - способность вещества долгое время удерживать свое собственное электрическое поле и на такое явление, как возникновение разности потенциалов в окрестностях фазовых переходах.

Цель:

•  Выявить некоторые электрохимические свойства парафина, такие, как способность к поляризации, появление разности потенциалов между жидким и твёрдым парафином при фазовых переходах

Задачи:

Проверить электретные свойства парафина

Проверить способность парафина образовывать разность потенциалов между жидкой и твёрдой формой парафина при фазовых переходах.

Актуальность.

Не учитывая такие процессы, как возникновение разности потенциалов в окрестностях фазовых переходах и удержание диэлектриком долгое время наведенного собственного поля, невозможно добиться, к примеру, точности приборов, в цепи которых есть конденсаторы, невозможно учесть все возможные сбои/незапланированные старты из-за изменений внешних условий, поэтому необходимо как можно тщательней разобраться в данных явлениях. В качестве объекта своих исследований я решил взять материалы, чаще всего использующиеся в конденсаторах. И начал с диэлектрика, часто употребляющегося в конденсаторах малой емкости (пико - и нанофарады) (используются в точных приборах), а именно, с парафина.

Теория.

Но, для начала, познакомимся с явлением удержания диэлектриком долгое время наведенного собственного поля, а иначе с электретными свойствами вещества.

Известно, что диэлектрики, под действием внешнего поля, поляризуются, т. е. наблюдается смещение положительных и отрицательных электрических зарядов внутри вещества в противоположные стороны. Существует множество типов поляризации:

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов.

Модель атомов водорода
в отсутствие поля	при воздействии поля
	E

Поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость ε уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице объема.

Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обуславливается смещением упруго связанных ионов на расстояния, меньше постоянной решетки. Ионная связь определяется силами притяжения между положительными и отрицательными ионами. Типичными примерами ионных кристаллов являются соли щелочных металлов, например NaCl. Молекулы веществ с ионной связью полярны.

Схема расположения ионов каменной соли
в узлах кристаллической решетки в отсутствие поля	смещенных на небольшое расстояние при воздействии поля
	E

Величина поляризации с повышением температуры возрастает в результате ослабления упругих сил, действующих между ионами, так как расстояния между ними при тепловом расширении увеличиваются. Время установления ионной поляризации порядка
10-13 сек.

Дипольно-релаксационая поляризация отличается от электронной и ионной тем, что дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации.

Примерное распределение дипольных молекул
в отсутствие поля	при воздействии поля
	E

С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, что должно усиливать дипольно-релаксационную поляризацию. Однако в то же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. Поэтому величина дипольно-релаксационной поляризации с увеличением температуры сначала возрастает, пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чем возрастание хаотического теплового движения. Затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, величина дипольно-релаксационной поляризации с ростом температуры начинает падать. После снятия электрического поля ориентация частиц ослабевает постепенно.

Время релаксации – это промежуток времени, в течение которого упорядоченность ориентированных полем диполей после снятия поля уменьшается вследствие наличия теплового движения в 2,7 раз от первоначального значения, т. е. система из неравновесного состояния переходит в равновесное.

Поворот диполей в направлении поля в вязкой среде требует преодоления некоторого сопротивления, поэтому дипольно-релаксационная поляризация связана с потерями энергии на выделение тепла.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (хлористый цезий). В этом случае слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего поля смещаются на расстояние, превышающее постоянную решетки. После снятия поля ионы постепенно возвращаются к центрам равновесия.

Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных электронов и дырок.

Самопроизвольная (спонтанная) поляризация существует только у группы твердых диэлектриков, обладающих такими же особенностями поляризации, как и сегнетова соль, и поэтому получили название сегнетоэлектриков.

В случае спонтанной поляризации, при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение, и дальнейшее усиление поля уже не вызывает возрастания интенсивности поляризации. Поляризация сегнетоэлектриков связана с затратами энергии, поэтому в переменном электрическом поле обнаруживается гистерезисная петля “переполяризация”. Площадь петли пропорциональна энергии, рассеянной за один период.

Для линейных диэлектриков с безынерционными механизмами поляризации (электронная, ионная)	Для диэлектриков с замедленными механизмами поляризации (релаксационными)	Для нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков)

На рисунке показаны зависимости заряда конденсатора от напряжения (с переменной полярности) для линейных диэлектриков с безынерционными механизмами поляризации (электронной, ионной) и для материалов с замедленными, или релаксационными, механизмами поляризации. Площадь эллипса пропорциональна количеству энергии, рассеиваемой диэлектриком за один период изменения напряжения вследствие наличия у него релаксационных механизмов поляризации. Для нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков) в этих условиях кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид петли гистерезиса.

Перейдем теперь к систематическому изложению теории электретного эффекта.

Электреты - диэлектрики, способные накапливать и длительно сохранять электрический заряд или поляризацию.
Они могут создавать в окружающем пространстве электростатическое поле. Существует электрическое поле и внутри заряженного или поляризованного электрета. Отметим, что наличие в диэлектрике поля или поляризации в отсутствие внешнего электрического поля еще не является признаком электретного состояния. Действительно, они могут существовать в сегнетоэлектриках - веществах, обладающих спонтанной (самопроизвольной) поляризацией.
Сегнетоэлектрики (сегнетова соль, титанат бария и др. кристаллические вещества) по своим свойствам во многом аналогичны ферромагнетикам. В тех и других имеются области - домены, - где магнитные или дипольные электрические моменты ориентированы параллельно друг другу без всякого воздействия внешнего магнитного или электрического поля. При внесении в поле ферромагнетики намагничиваются, а сегнетоэлектрики приобретают поляризацию, на их гранях появляются связанные заряды, не исчезающие после выключения поля. Те и другие имеют точки Кюри и т. п. Характерным свойствам сегнетоэлектриков и ферромагнетиков является то, что намагничивание или спонтанная поляризация существует в них в состоянии термодинамического равновесия и может сохраняться сколь угодно долго, если внешние условия неизменны. При нагревании до точки Кюри спонтанная поляризация и намагничивание исчезают, происходит фазовый переход, в результате которого  сегнетоэлектрик становится обычным полярным диэлектриком, а ферромагнетик - парамагнетиком, при охлаждении происходит обратный фазовый переход, в результате которого восстанавливаются сегнетов - или ферромагнитные свойства
В отличие от сегнетоэлектриков, электрет с «замороженной» поляризацией является термодинамически неравновесным объектом Его состояние неустойчиво, а нагревание ведет к быстрому необратимому разрушению поляризации диэлектрика Неравновесность - основное свойство электретного состояния, каковы бы ни были конкретные механизмы его получения. Релаксация, переход в равновесное - неполяризованное, незаряженное состояние, характерна для любого электрета. Она является не только отличительным признаком электретов, но и причиной технических трудностей, с которыми сталкиваются производители электретных ЭАП, стимулом настойчивых поисков материалов, из которых можно изготовить «долгоживущие», стабильные электреты, у которых процесс релаксации протекает как можно медленнее.
Релаксация электретного состояния сопровождается уменьшением величины избыточного заряда, накопленного электретом, поверхностного потенциала, протеканием тока в объеме образца и др. явлениями. Она может происходить  как  при  постоянной  температуре (изотермическая релаксация - ИТР), так и при повыше­нии температуры со временем по определенному закону (термостимулированная релаксация - ТСР)
Релаксация ускоряется под воздействием факторов окружающей среды - ионизирующих излучений, атмосферной влажности, пыли, механических напряжений и деформаций и др. Она может протекать самопроизвольно, бесконтрольно - при хранении или эксплуатации изделий, содержащих электреты, и использоваться как инструмент научных исследований электретного эффекта. В последнем случае ведется регистрация временной или температурной зависимости заряда, потенциала или тока, протекающего в образце в процессе релаксации. Экспериментальные методики с применением термостимулированной релаксации позволяют получить важную информацию о природе электретного состояния в данном полимере, кинетических и структурных переходах в полимерных диэлектриках.

Типы электретов.
 
Электреты могут классифицироваться по типу электрически неравновесного состояния диэлектрика (электреты с «истинной», ориентационной дипольной поляризацией; электреты с объемно-зарядовой поляризацией; с избыточным внедренным зарядом; комбинированные), материалу диэлектрика (неорганические кристаллические электреты, полимерные электреты, биоэлектреты и т. п.), методу получения (термоэлектреты, электроэлектреты, короноэлектреты, радиоэлектреты, фотоэлектреты, механоэлектреты, трибоэлектреты и т. п.).

Рис. 2. Классификация электретов по природе электрически неравновесного состояния

В своей работе я рассматриваю парафин - неполярный диэлектрик, и потому скорее всего ему присущ объемно-зарядовый тип поляризации:

Электреты с объемно-зарядовой поляризацией (ОЗП) получают по следующей схеме. В диэлектрике путем внешнего воздействия (нагревания, освещения, рентгеновского облучения) вызывают появление пар носителей заряда (электрон-дырка, положительный ион - отрицательный ион). Прикладывают внешнее электрическое поле, которое разводит носители в противо­положные стороны. Эти носители накапливаются у границ диэлектрика, на фазовых границах и неоднородностях. Часть из них захватывается ловушками - электрически активными дефектами материала, способными захватывать и удерживать носитель заряда. Ловушками электронов и дырок могут служить дефекты кристаллической решетки - примесные атомы, вакансии и др., отдельные группы атомов, имеющие положительное сродство к электрону или дырке (последнее означает, что присоединение электрона либо дырки к данному атому или группе атомов энергетически выгодно). Для носителей заряда ионной природы ловушками могут служить «полости» между макромолекулами в аморфных полимерах и аморфных прослойках частично-кристаллических полимеров, дефекты кристаллитов и др. неоднородности, препятствующие движению иона. Природа ловушек в ряде материалов не выяснена до конца, однако нас интересует сам факт их наличия в диэлектрике.

Я провел ряд опытов по обнаружению данного эффекта в парафине:

В опыте жидкий парафин вносили во внешнее поле, остужали и уже твердый парафин вынесли из внешнего поля (ВП),. После снятия ВП наблюдалась нелинейная зависимость собственного поля парафина от ВП, т. е. при отключении ВП парафин еще длительное время сохранял свое собственное поле. Таким образом можно сделать вывод, что парафин - электрет.

Разделение зарядов при фазовых переходах в диэлектриках.

Известно, что в диэлектрических материалах в окрестностях их фазовых переходов возникает разность потенциалов. Впервые этот эффект был обнаружен в сороковых годах прошлого века бразильским ученым Коста Рибейро. Он установил, что направленная кристаллизация многих диэлектриков сопровождается разделением носителей зарядов, т. е. при переходе порции вещества в твердое состояние заряды разных знаков попадают в твердую и жидкую фазы в неодинаковых соотношениях, как по знаку носителей, так и по их количеству. В результате этого кристалл растет объемно заряженный, а на обкладках измерительной ячейки возникает разность потенциалов. Свойства системы, в которой возникают подобные процессы, аналогичны свойства гальванических элементов с весьма высоким внутренним сопротивлением. Проведенные другими авторами исследования показали, что эффект объемного заряжения наблюдается практически для всех диэлектриков, подвергнутых испытанию. Было сделано даже предположение, что это явление свойственно вообще всем веществам, но у металлов и полупроводников не поддается наблюдению из-за быстрого стекания заряда, захваченного твердой фазой. Эффект Коста Рибейро в дальнейшем широко не обсуждался.

Представляют интерес исследования явления К. Рибейро в диэлектриках нефтяного происхождения (парафинах и битумах), изучение явления с помощью термодинамического эффекта. В парафинсодержащих системах носителями заряда являются ион-радикалы, образование которых возможно при диссоциации комплексов парафин-депрессор.

Механизм образования объемного электрического заряда в диэлектриках при направленной кристаллизации еще далек от окончательного выяснения, а также мало внимания уделяется его научно-практической реализации, в том числе в радиоэлектронике, в информационно-измерительной технике и при разработке альтернативных источников электрического поля.

Я провел несколько опытов по выявлению данного эффекта у парафина:

Так, в эксперименте сначала производился нагрев твердого парафина и его плавление. В процессе плавления было обнаружено быстрое нарастание электрического поля с 0 В до -0,3 В и при дальнейшем нагревании парафина поле менялось незначительно (скорее всего расплавлялись незначительные примеси, тоже обладающие данным эффектом). После, парафин остужался, и в процессе его кристаллизации наблюдалось падение напряжения обратно до 0 С. Этот опыт наглядно демонстрирует то, что при фазовых переходах между жидким и твердым парафином возникает разность потенциалов.

График с зависимостью напряжения от времени и температуры

 

Вывод:

Таким образом, в данной работе были детально разобраны некоторые электрохимические процессы, протекающие в парафине и было доказана существенность таких эффектов, как длительное сохранение парафином собственного поля и возникновение разности потенциалов в окрестностях фазовых переходах. Было доказано, что без учета таких явлений сложно создать надежный прибор, т. к., к примеру, при изменении внешней температуры, в цепи может появиться ток, что может привести к нежелательным последствиям.

Перспективы.

В дальнейшей работе необходимо будет изучить эти эффекты и в других диэлектриках, в частности в сегнетоэлектриках.

Практическое значение исследования.

Данное исследование может быть использовано для:

1.учёта появления наведённых зарядов в конденсаторах в электрических цепях, работающих в широком диапазоне температур;

2.разработки источников электроэнергии, способных заражаться изменением их температуры;

3.разработки альтернативных источников электроэнергии, на данном этапе пока маломощных, но экологически чистых.

Литература

1.  Физический энциклопедический словарь.:. Советская энциклопедия, 1984

2.  Мельникова . Разделение зарядов при кристаллизации// Кристаллография, 1969 г., Т.14, Вып. 3.

3.  , , Трофимов эффект при фазовом переходе жидкий кристалл - твердый кристалл – Кристаллография, 1973, Т.18, Вып. 3.

4.  , , Емельянова эффект в материалах органического происхождения, возможности его практического применения /Башкирский химический журнал Т.16, 2, 2009 г., стр. 108-113.

5.  Гороховский эффект и его применение // Соровский образовательный журнал. – 1997, №8, – С. 92- 98.

ПРИЛОЖЕНИЯ:

Наблюдение появления разности потенциалов на поверхности отвердевающего парафина