دانلود تحقیق برق و الکترونیک (دی الکتریک)

برق و الکترونیک

مقدمه

از زمانیکه آزمایشهای ابتدایی روی الکتریسیته ساکن جهت منزوی کردن بار الکتریکی ساکن توسط مواد دی الکتریکی که بار را به خارج هدایت نمی کنند ، صورت گرفته ، لزوم مطالعه مواد دی الکتریکی با توجه به نیاز عملی به عایقها احساس گردید . کهربا ، موم ، شیشه از جمله اولین مواد عایقی بودند که کاربرد عملی داشتند . با ظهور جریان الکتریکی خواص این مواد باید بیشتر ، مطالعه می شد تا برای مقاصد کاربردی مورد استفاده واقع شده و عکس العمل آنها نسبت به اعمال یک میدان ، معین و
مشخص گردد . خواص عایقی در ماده را می توان به قدرت دی الکتریکی تعریف
کرد .

از همان آغاز شناخت الکترو استاتیک توانایی مواد دی الکتریک در افزایش ذخیره ‌ باریک خازن شناخته شده بود . کاربرهای جریان الکتریکی فرکانس بالا در ارتباط با رادیو ، تقاضاها را برای خازنهای ظرفیت بالا ، قدرت شکست بالا و ابعاد کوچک افزایش داد . برای رسیدن به این خواسته ها مواد در الکتریک زیادی آزمایش بر حسب قدرت دی الکتریک و گذردهی با توجه به کاربردشان در این حوزه رده بندی شدند و تقاضا برای مواد بهتر افزایش یافت . در موفقیت آمیز بودن هر نوع جستجو برای مواد جدید یا بهبود آنها در حوزه بخصوصی ، اطلاع از سازوگار اساسی که در ارتباط با ویژگیهای به خصوص آنهاست ، شرط اساسی است . این کار نظریه دی الکتریک است که با محاسبه رفتارها کروسکوپی بر حسب ساختمان مولکولی و اتمی ، ما را به این آگاهیها می رساند .

یک نظریه کامل، که  رفتار دی الکتریکی هر نوع ماده ای را در بر داشته باشد کار بینهایت دشوار است و احتمالاً هر گز امکان پذیر نیست . با وجود این « مدلهای » نظریه دی الکتریکهای کاربردی بر حسب فرضیات ساده شده مجهزی بنا شده اند . با بکار بردن این مدلهای نظری ، خواص معینی که  با تغییرات پارامتریهایی که با آزمایش می توانند بررسی شوند ، پیش بینی می شود . میزان ساختمان اتمی یا مولکولی ماده بنا شده است ، موفق باشند می تواند دانش لازم را جهت جستجو در محیطهای الکتریکی مختلف مورد استفاده قرار گیرد . افزون بر این ممکن است خواصی که  تاکنون توسط آزمایش مشاهده نشده اند پیش بینی شوند . بعنوان مثال در قرن نوزدهم ، نظریه های رفتار دی الکتریک ، امکان قطبش خود به خودی یا « فرو الکتریسیته » را پیش بینی کردند .

در صورتکیه تا سال 1935 اولین ماده فرو الکتریک کشف نشده بود .

بطور خلاصه برای درک کامل رفتار دی الکتریک به دانسته های نظری قبلی در جهت شروع بحث کاربرد عملی ، درک توسعه های جدید و محاسبه خواص غیر عادی ماده مورد نیاز است جهت فراهم کردن مبنای لازم برای بررسی مدلهای نظری ، به واکنش نظریه الکترو ا ستاتیکی و آگاهی از اندازه گیری و پارامترهای ماکروسکوپی نیازمندیم . در ابتدا نظریه الکترو استاتیک را مورد بررسی قرار می دهیم .

سپس پلاریزاسیون در دی الکتریکها و قابلیت پلاریزاسیون و جامدات دی الکتریک یونی را بررسی می کنیم . بعد از آن به بررسی گذردهی و  انواع آن پرداخته و سپس انواع قطبش پذیری شکست در مایعات دی الکتریک پرداخته و در آخر  حالتهای خاصی را که به برای دی الکتریکها رخ می دهد بررسی می کنیم .

فصل اول :

( 1 1 )  تعریف دی الکتریک :

وقتی عایقی را در یک میدان الکتریکی با شدت معمولی وارد کنیم ، الکترونها در داخل ماده در ابعاد اتمی و یا مولکولی مقید می ماند . بنابراین میدان
می تواند توزبع بارهای اتمی را تغییر داده ابعاد و آثار قطبی شدن که باعث تغییرات اساسی در میدان الکتریکی در ابعاد ماکروسکوپیک است بوجود

آورد . عایقهایی را که خاصیت قطبی شدن از خود نشان می دهد ، دی الکتریک می نامیم .

( 1 2 ) نظریه الکترو استاتیک :

قانون کوبن ؛ نیروی ربایشی یا رانشی بین دو ذره باردار  و  به فاصله r را نیروی الکتریکی می نامیم  ، که به کمک قانون کوبن می توان اندازه نیروی الکتریکی بین دو ذره باردار را محاسبه کرد .

                                  ( 1 1 )                             

میدان الکتریکی ؛ هر بار الکتریکی در هر نقطه از فضای اطراف خود ، خاصیتی ایجاد می کند که به آن میدان الکتریکی می گویند . و یا می توان میدان را بطور کمی و به کمک نیروی که میدان بر بار الکتریکی واقع در میدان وارد می کند تعریف کرد : نیروی وارد بر سیکای بار الکتریکی مثبت را در هر نقطه ، میدان الکتریکی در آن نقطه می گویند .

شدت میدان الکتریکی بصورت روبه رو تعریف می شود :

                                           ( 2 1 )                                    

شدت میدان الکتریکی یا قدرت میدان ، پارامتر مهمی در مهندسی برق ، بخصوص در ارتباط با قدرتهای شکست مواد عایق می باشد . شدت میدان الکتریکی تابع محیطی است که در آن حضور دارد .

چگالی شار الکتریکی ؛ چگالی فشار الکتریکی را به  D نشان می دهیم و آن را بصورت رابطه ( 3 1 ) تعریف می کنیم و می بینم که چگالی فشار فقط تابعی از بار و موضوع آن است و به خاصیت محیط بستگی ندارد .

                                    ( 3 1 )                                              

                                    ( 4 1 )                                    

مثال 1 : با در نظر گرفتن  در مرکز کره ای به شعاع r کل فشار عبوری از سطح از حاصل ضرب D در مساحت سطح بدست می آید ، یعنی :

مشاهده می شود که مجموع فشار عبوری از سطح کره با  باری در مرکزش با اندازه بار برابر است و از شعاع کره مستقل است .

قانون گؤس ؛ قانون گؤس را می توان به زبان ریاضی به صورت زیر تعریف کرد :

                                              ( 5 1 )                            مثال ( 1 ) در قانون گؤس برین بصورت تصمیم می بابد که برای هر سطح بسته ای شامل مجموعه ای از بارها ، شار خروجی از سطح با بار محصور شده برابر
است .

در رابطه ای که برای قانون گؤس نوشتیم ، ds المانی است با مساحت ds و جهت آن توسط امتداد عمود بر سطحش تعیین می شود .

شکل ( 1 1 ) . قانون گؤس

                                                               D

                                       D n

ما می توانیم برای تعیین میدان موجود در محیط دین الکتریک ( باگذرده 4 ) بین رساناها از قانون گؤس استفاده می کنیم . و همچنین رابطه  در صورتی برای دی الکتریک کاربرد دارد که محیط دی الکتریک همگن باشد .

قانون گؤس را برای ناحیه ای که شامل توزیع بار است بصورت زیر است :

                           ( 6  1 )                                       

در جامدات توزیع یکنواخت بار ، انتگرال حجمی به سادگی از حاصل ضرب چگالی در حجم بدست می آید هر چند که در حالت کلی این یک انتگرال سه گانه خواهد بود که فقط در صورتیکه چگالی بار برحسب مکان دقیقاً معلوم باشد ، قابل حل است .

پتانسیل الکترو استاتیکی :

اگر در یک محیط ، میدانی وجود داشته باشد و بار نقطه ای واحد درآن قرار گیرد ، کار انجام شده روی این بار بین دو نقطه A  و B را اختلاف پتانسیل بین A و B
می گوییم و بصورت زیر نشان می دهیم :

                            ( 7 1 )                                         

ما پتانسیل ار بصورت  در نظر می گیریم ، به این معنا که فرض می کنیم میدانی در نقطه P به علت وجود بار  بوجود آمده است و بار واحدی را از یک مسیر بینهایت به P آورده ایم . در جائیکه دستگاه بار نهای  در فواصل  وجود دارد ، پتانسیل در P عبارتست  از :

                              ( 8 1)                                           

و برای حالت کلی یک توزیع بار با چگالی  داریم :

                            ( 9 1 )                                              

یک رابطه مهمی بین میدان و پتانسیل وجود دارد و آن این است که میدان ، گراویان پتانسیل است که عبارتست از برداری که اندازه و جهت ماکزیمم تغییر فضایی پتانسیل  را در هر نقطه نشان می دهد و داریم :

                                  ( 10 1 )                                         

با توجه به عبارت واگرایی میدان :  و  داریم :

                          ( 11 1 )                                                  

که این معادله « پواسن » می گوییم . در ناحیه بدون بار که P = 0 است ، معادله پواسن به معادله ؟؟     تبدیل می شد و داریم :