Поляризации электродов

Диэлектрики — это вещества с очень малой электропроводностью. В отличие от проводников они не имеют (почти не имеют) свободных электронов. Диэлектрик, находящийся в электрическом поле, так же, как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенное различие. В диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов по всему объему произой-.ти не может (отрицательные заряды прочно связаны с ядром атома). Но в пределах каждой молекулы диэлектрика возможно смещение отрицательного заряда против направления внешнего электрического поля и положительного —- по направлению поля. Это явление называется поляризацией диэлектрика. С устранением внешнего электрического поля поляризация диэлектрика прекращается. При определенной величине напряженности внешнего поля смещение зарядов достигает предела, после чего происходит пробой диэлектрика. Если диэлектрик находится в переменном электрическом поле, то его поляризация происходит непрерывно, что приводит к его нагреву. Это явление используется на практике, например, для нагрева и сушки влажных материалов.

Активная проводимость диэлектриков при переменном токе уа обычно значительно больше, чем при постоянном (у), а тангенс угла потерь даже на высоких частотах не падает ниже 10"*. Следовательно, существуют другие механизмы потерь, кроме обусловленных током сквозной проводимости. Эти механизмы связаны с поляризацией диэлектрика.

Температурный коэффициент емкости тонкопленочных конденсаторов 0,02 ...0,04 %/°С, а технологический разброс емкостей для разных микросхем 10 ... 15 % (без подгонки). Добротность на высоких частотах определяется сопротивлением обкладок. Алюминиевые обкладки имеют сопротивление слоя порядка сотых долей ома на квадрат и обеспечивают высокую добротность (Q > 1) в диапазоне СВЧ. У танталовых конденсаторов сопротивление обкладки Та велико (1001 Ом/П), что снижает добротность, поэтому область применения ограничивается, как правило, частотами менее 1 МГц. Добротность на низких частотах определяется потерями, обусловленными поляризацией диэлектрика при воздействии переменного напряжения, и составляет 300 ... 1000 на частоте 1 кГц (что соответствует тангенсу угла диэлектрических потерь tg6 = (1...3)-10~3).

Как было указано выше (8-2), напряженность поля Е, возбужденного зарядом Q, в вакууме и в непроводящем веществе неодинакова. В непроводящей среде напряженность электрического поля в е раз меньше, чем в пустоте. Изменение напряженности вызывается поляризацией диэлектрика.

Второй интеграл в выражении (4-70), как видно из (4-61), должен рассматриваться как составляющая потенциала, обусловленная неоднородной поляризацией диэлектрика.

Из (8-За) следует, что при заданной плотности поверхностных свободных зарядов на электродах электрическое смещение в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью еа не зависит от величины еа, а напряженность электрического поля зависит. Поэтому можно сказать, что напряженность электрического поля определяется и свободными (на электродах) и связанными (в диэлектриках) зарядами, т. е. поляризацией диэлектрика, а электрическое смещение в однородном диэлектрике не зависит от связанных зарядов.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассеянием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика. В нагреве технического диэлектрика могут участвовать содержащиеся в нем немногочисленные свободные заряды, обусловливающие возникновение под воздействием электрического напряжения малого сквозного тока, проходящего через толщу диэлектрика и по его поверхности. Наличием сквозного тока объясняется явление электропроводности технического диэлектрика, численно характеризуемой значениями удельной объемной электрической проводимости и удель-

Заряд Q при заданном значении приложенного напряжения слагается из заряда Q0, который присутствовал бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и заряда QA, который обусловлен поляризацией диэлектрика, фактически разделяющего электроды:

Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества. Диэлектрические потери могут обусловливаться сквозным током или, как указывалось при рассмотрении явления поляризации, активными составляющими токов смещения. При изучении диэлектрических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно характеризовать это явление поляризации кривыми, представляющими зависимость электрического заряда на электродах конденсатора с данным диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения ( 3-1). При отсутствии потерь, вызываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напряжения ( 3-1, а) и такой диэлектрик называется линейным.. Если в линейном диэлектрике наблюдается замедленная поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид эллипса ( 3-1, б). Площадь этого

При выборе компонентов для двухста-дийного преобразования ориентируйтесь на высококачественный конденсатор с минимальной остаточной поляризацией диэлектрика (эффект «памяти»; см. модель на 4.42)-полипропиленовые, полиэфирные или тефлоновые конденсаторы в этом отношении лучше. Хотя эти конденсаторы и не являются поляризованными, их внешнюю фольгу следует подключить к низкоимпедансной точке (выход операционного усилителя интегратора). Для минимизации ошибок величины R и С выбирайте таким образом, чтобы использовать весь аналоговый диапазон интегратора. На высокой частоте тактовых импульсов разрешающая способность улучшается, однако при сильном увеличении частоты период тактовых импульсов может стать короче времени отклика компаратора.

Падение напряжения: на столбе электролита по фазе совпадает с током. Исходя из этого, топографическую векторную диаграмму падений напряжений в электролитической ячейке можно изобразить так, как показано на 7-7, а, где UR — вектор падения напряжения на столбе электролита, a Uс и Uc — напряжения, уравновешивающие э. д. с. поляризации электродов. Согласно этой диаграмме, электролитическая ячейка (при данном значении тока /) может быть заменена эквивалентной схемой замещения, показанной

переменного тока частотой 50 или 1000 гц, \ \ что способствует уменьшению погрешности n ° от поляризации электродов.

Падение напряжения на электролитической ячейке U складывается из активного падения напряжения на сопротивлении раствора и напряжения поляризации электродов Д?/. При измерении сопротивления растворов на постоянном токе погрешность от поляризации равна Д?//?/ и может доходить до 10%, если приложенное к ячейке напряжение U = 20 В. На переменном токе эта погрешность значительно меньше и при At/ «С U определяется как (0,5А U/Uf, так как напряжение поляризации и падение напряжения на сопротивлении раствора сдвинуты по фазе на 90°.

Измерительные цепи для гальванических преобразователей должны обладать большим входным сопротивлением (10s-j-1012 Ом), чтобы через преобразователь проходил как можно меньший ток, который обусловливает погрешность от падения напряжения на внутреннем сопротивлении преобразователя и от поляризации электродов. Для измере-

Для измерения механических напряжений используются резис-тивные электрохимические преобразователи, выполненные из тонкой каучуковой трубки, концы которой плотно закрыты электродами, а внутренний объем ее полностью заполнен электролитом. Такой «тензорезистор» укрепляется на поверхности исследуемого объекта и позволяет измерять очень большие относительные деформации (до А/// = 0,6). В зависимости от длины и сечения трубки сопротивление преобразователя может быть от сотен ом до сотен килоом. Частотный диапазон таких преобразователей составляет 0—700 Гц. Погрешности резистивных электрохимических преобразователей в основном обусловлены температурной зависимостью электропроводности растворов, влиянием электролиза и поляризации электродов. Для уменьшения температурной погрешности применяют схемы ее коррекции. Погрешности от электролиза и поляризации снижаются при питании преобразователя переменным током частотой 500ч-2000 Гц, а также применением четырехэлектродных или бесконтактных преобразователей.

Катодная поляризация сдвигает потенциал элсктроосаждения на катоде в сторону отрицательных значений, анодная — потенциал элек-троосвждения на аноде в сторону потожнтетьных значений. Уменьшение поляризации электродов называется деполяризацией. По своему характеру поляризация делится ita концентрационную, химическую н криста члизационну ю

Ослабление поляризационных явлений у электродов осуществляется четырьмя способами: барботированием, качанием катодной штанги, питанием переменным апериодическим током (или реверс тока), введением комплексообразователей в состав электролита. Стабильность условий металлизации во времени возможна только при неизменной концентрации ионов металла и при стабильной поляризации электродов, соответствующей приложен-

Как видно, в результате электрохимических реакций происходит конверсия топлива, поэтому процесс получил название "электрохимическая конверсия" [109], а устройство для его проведения - "электрохимический конвертор". В ячейке электрохимического конвертора анод работает подобно аноду ТЭ, а катод - подобно катоду электролизной ячейки. Как следует из 2.14, для метана при высоких температурах A G < 0, т.е. в этом случае реакция конверсии метана может протекать самопроизвольно. Однако, из-за поляризации электродов и омических потерь напряжения, процесс может проходить лишь при подводе электрической энергии.

Основным недостатком >воздушно,-железного ЭА является невысокое значение КПД - около 30%. Это обусловлено высокими значениями поляризации электродов при заряде и разряде и выделением водорода на железном электроде при заряде. Кроме того, невелика удельная мощность ЭА - 20-40 Вт/кг.

В каркасных датчиках ( 35.12, а—г) ь качестве сопротивления используются проволока с вы-сокоомным удельным электрическим сопротивлением, слой полупроводника или пленка металла. Электролитические датчики ( 35.12, д—и) могут использоваться только в цепях переменного тока из-за разложения электролита и поляризации электродов при постоянном токе; их сопротивление сильно зависит от температуры. По указанным причинам наиболее предпочтительными являются дифференциальные схемы их включения. Выходной сигнал датчиков может быть в виде тока 1Х ( 35.12, а) или напряжения Ux.

Внутреннее сопротивление. Сопротивление аккумулятора складывается из сопротивления поляризации, электродов, электролита, сепараторов, межэлементных перемычек и других токоведущих деталей. Сопротивление электродов и токоведущих деталей мало изменяется с изменением температуры. Рост сопротивления аккумуляторной батареи г0 с понижением температуры ( 63.15) связан в основном с увеличением сопротивления электролита и пропитанных электролитом сепараторов. В стартерных аккумуляторных батареях применяют электроды толщиной 1,4—2,3 мм, шириной 143 мм и высотой (без ножек) 119 и 133,5 мм. Сопротивление заряженных стартерных аккумуляторов и даже батареи последовательно соединенных аккумуляторов составляет от нескольких тысячных до нескольких сотых долей ома.