Dielektrika

Fyzika normálních dielektrik

Měření termodielektrického jevu

    Pro demonstraci termodielektrického jevu jsem využil aparatury, která je zmíněna v práci B. Grosse Theory of Thermodielectric Effect. Tento autor navrhuje do vhodné nádoby umístit kapalný vosk a dno této nádoby chladit. Jako dielektrický materiál pro demonstraci jsem zvolil parafín. Nádobu jsem položil na vrstvu ledu, a tím jsem docílil chlazení spodní kruhové elektrody. V prvních pokusech jsem použil kovovou nádobu, kde jako elektroda fungoval plášť nádoby. Na upevněné distanční zarážky jsem umístil kruhovou elektrodu. Obě elektrody tedy byly odděleny distančními zarážkami malých rozměrů. Nádobu jsem položil na led a následně jsem do nádoby nalil zkapalněný vosk. Kovová nádoba tvořená hliníkovým plechem dosahovala vysoké tepelné vodivosti. Vosk proto nezačal tuhnout pouze u dna, ale postupně tuhnul i v okolí stěn nádoby. Jako vhodnou nádobu jsem tedy v dalších pokusech použil skleněnou misku. Na dno misky jsem nalepil kruhovou elektrodu, vývod jsem umístil na okraj nádoby a zakryl bezbarvým lakem. V předchozích pokusech s kovovou nádobou jsem pozoroval velkou změnu objemu měřeného parafínu při ztuhnutí. Došlo ke zmenšení objemu a často se stalo, že hladina měřeného parafínu nedosahovala až k horní elektrodě. Tuto skutečnost jsem řešil jinou konstrukcí horní elektrody, kterou jsem vyrobil ze sítka na čaj. Sítko je pro materiál propustné, netvoří pevnou bariéru. Tvar sítka je navíc výhodný, protože kopíruje výduť vznikající při tuhnutí parafínu v nádobě.

Obr. 1 - Nádoba pro měření termodielektrického jevu
    Vývody z obou elektrod jsem připojil k citlivému milivoltmetru s vysokým vstupním odporem.

Obr. 2 - Nádoba pro měření termodielektrického jevu připojená k milivoltmetru
    Před měřením jsem do vhodné nádoby nalil vodu a nádobu uložil do mrazicího boxu. Příprava ledu je časově náročná, je vhodné led vytvořit jeden či více dnů před vlastním měřením. Těsně před měřením jsem začal zahřívat pevný parafín. Parafín poměrně rychle zkapalní, vhodné množství parafínu závisí na použité nádobě a vzdálenosti elektrod. Ve znázorněných experimentech jsem použil 275 g parafínu. Takové množství bylo dostatečné pro částečné ponoření sítka. Po úplném zkapalnění jsem parafín nalil do nádoby pro měření termodielektrického jevu.

Obr. 3 - Kapalný parafín v nádobě pro měření termodielektrického jevu
    Nádobu pro měření termodielektrického jevu jsem položil na vytvořenou vrstvu ledu a sledoval jsem měřené napětí.

Obr. 4 - Aparatura během měření termodielektrického jevu
    Těsně po nalití parafínu a umístění nádoby na vrstvu ledu nevykazuje milivoltmetr žádnou výchylku. Až po několika minutách dochází k dramatickému nárůstu napětí. Uvedený postup při přípravě k měření jevu jsem se pokusil pozměnit. Zkapalněný parafín jsem nalil do nádoby, která již byla položena na vrstvě ledu. Milivoltmetr těsně po nalití parafínu vykazoval značnou výchylku. Pro demonstrační účely a pro přesné proměření závislosti napětí U na času t je proto vhodné zachovat výše uvedenou posloupnost.

Výsledky měření:
    Měření termodielektrického jevu jsem několikrát opakoval. Výsledky měření závislosti napětí na času vykazují zřetelnou shodu.
Měření číslo 1
vlhkost 45%
teplota 22°C
tlak 99,9 kPa

Závislost napětí U na času t při termodielektrickém jevu
t [min] U [mV]
1 0
2 0
3 200
4 580
5 960
6 880
7 640
8 380
9 420
10 360
11 240
12 160
13 100
14 80
15 30
16 0
Graf závislosti:

Měření číslo 2
    Při tomto měření jsem pozměnil postup během přípravy k měření jevu. Zkapalněný parafín jsem nalil do nádoby, která již byla postavena na vrstvě ledu.
vlhkost 43%
teplota 23°C
tlak 100,5 kPa

Závislost napětí U na času t při termodielektrickém jevu
t [min] U [mV]
1 300
2 510
3 500
4 480
5 430
6 380
7 340
8 300
9 260
10 215
11 185
12 170
13 150
14 150
15 165
16 180
17 160
18 110
19 105
20 0
Graf závislosti:

    Ve znázorněných grafech si můžeme povšimnout, že pokles napětí není rovnoměrný. V některých místech dochází k mírnému nárůstu napětí a vytváří se zde lokální maxima. K nárůstu napětí dochází přibližně ve stejné době, kdy se tvoří druhé fázové rozhraní u hladiny kapalného parafínu. Domnívám se tedy, že toto druhé fázové rozhraní může způsobovat nárůst měřeného napětí.

Obr. 5 - Vznik druhého fázového rozhraní u hladiny kapalného parafínu
    Experimentální potvrzení termodielektrického jevu je zajímavým doplněním výuky problematiky dielektrik. Experiment lze snadno realizovat při použití levných a dostupných materiálů. Během měření se manipuluje s kapalným parafínem, který dosahuje relativně nízké teploty. Tato manipulace je však nejnebezpečnější částí měření. Během této fáze je vhodné manipulaci s parafínem kontrolovat, aby nedošlo k případným poraněním. Po naměření závislosti napětí na času je nutné aparaturu vyčistit.
Obr. 6 - Ztuhlý parafín po skončení měření termodielektrického jevu
Ztuhlý parafín jsem ponechal v nádobě pro měření termodielektrického jevu a tuto nádobu jsem zavěsil do vodní lázně. Pomalu jsem zvyšoval teplotu do chvíle, kdy došlo ke zkapalnění parafínu u stěny nádoby. Poté lze parafín snadno z nádoby vyjmout. Okraje nádoby zůstanou potřísněny parafínem. Tyto zbytky jsem odstranil tupým nožem. Následně jsem otřel stěny nádoby a elektrodu látkovým hadříkem namočeným v acetonu. Nádoba tak byla připravena k dalšímu měření.

V následujícím odkazu je možné stáhnout PowerPointovou prezentaci, ve které jsou zpracovány výsledky měření termodielektrického jevu.