Effect of an Electric Field on the Ultrasonic Wave Velocity in Oils
A dielectric liquid in an external electric field exhibits variations in its physical properties as a result of deformational polarisation and orientational polarisation. Moreover, it undergoes volume deformation due to electrostriction.
The present work represents an attempt at a quantitative description of ultrasonic wave propagation in a dielectric liquid acted on by a transverse electric field. Our search for a functional dependence between the propagation velocity c E and the external field strength E was based on the change in free energy of the medium under the action of the field.
We derive general expressions valid with regard to polar as well as non-polar dielectrics for the square of the propagation velocity, and compare them with our experimental results, obtained by the phase method for some selected oils.
Moreover, we determine the electrostrictive change in density of the medium in the external field for field strengths applied in experiments, as well as for their maximal values close to breakdown.
Finally, we perform an analysis of our experimental results in relation to the theoretical predictions and propose a new mechanism as being responsible for the behaviour of the dielectric in an electric field.
Zusammenfassung
Eine dielektrische Flüssigkeit in einem äußeren elektrischen Feld zeigt Änderungen ihrer physikalischen Eigenschaften auf Grund einer Deformations- und einer Orientierungspolarisation. Weiterhin erleidet sie eine Volumendeformation durch Elektrostriktion.
Die vorliegende Arbeit ist ein Versuch einer quantitativen Beschreibung der Ultraschallausbreitung in einer dieelektrischen Fliissigkeit unter der Einwirkung eines transversalen elektrischen Feldes.
Zur Auffindung einer funktionalen Abhängigkeit zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit c E und der elektrischen Feldstärke E wird die Änderung der freien Energie des Mediums unter der Einwirkung des Feldes betrachtet.
Es werden allgemeine Ausdrücke für das Quadrat der Ausbreitungsgeschwindigkeit für polare und nichtpolare Dielektrika abgeleitet und mit experimentellen Ergebnissen verglichen, die für einige ausgewählte Öle mit der Phasenmethode gewonnen wurden.
Weiterhin wird die elektrostriktive Dichteänderung des Mediums im äußeren Feld für Feldstärken bestimmt, wie sie in den Experimenten angewandt werden, ebenso aber auch für Maximalwerte nahe der Durchbruchsfeldstärke.
Schließlich wird eine Analyse der experimentellen Ergebnisse im Hinblick auf die theoretischen Voraussagen vorgenommen und ein neuer Mechanismus vorgeschlagen, der für das Verhalten des Dielektrikums in einem elektrischen Feld verantwortlich ist.
Sommaire
Quand un liquide diélectrique est soumis à un champ électrique externe, il subit des variations de ses propriétés physiques par intervention des polarisations de déformation et d'orientation. Il y a également une variation de volume due à l'électrostriction.
On présente ici une analyse quantitative de la propagation d'ondes ultrasonores dans un liquide diélectrique soumis à l'action d'un champ électrique transversal. On a recherché en particulier une relation fonctionnelle entre la célérité c E de la propagation acoustique et l'intensité E du champ électrique appliqué, en s'appuyant sur le changement de l'énergie libre du milieu sous l'action du champ.
On a calculé pour c 2 E des expressions générates valuables pour des diélectriques polaires aussi bien que non-polaires et on les a comparees avec des résultats expérimentaux obtenus par la méthode des phases pour divers échantillons d'huiles.
De plus on a déterminé les changements de densité subis par les échantillons par effet d'électrostriction pour les différentes valeurs de l'intensité du champ électrique externe appliqué au cours des expériences ainsi que pour les valeurs maximales avoisinant les tensions disruptives.
Pour finir on analyse les résultats expérimentaux présentés en fonction des prédictions théoriques obtenues précédemment et on propose en conséquence un mécanisme nouveau pour expliquer le comportement d'un diélectrique en présence d'un champ électrique.
The present work represents an attempt at a quantitative description of ultrasonic wave propagation in a dielectric liquid acted on by a transverse electric field. Our search for a functional dependence between the propagation velocity c E and the external field strength E was based on the change in free energy of the medium under the action of the field.
We derive general expressions valid with regard to polar as well as non-polar dielectrics for the square of the propagation velocity, and compare them with our experimental results, obtained by the phase method for some selected oils.
Moreover, we determine the electrostrictive change in density of the medium in the external field for field strengths applied in experiments, as well as for their maximal values close to breakdown.
Finally, we perform an analysis of our experimental results in relation to the theoretical predictions and propose a new mechanism as being responsible for the behaviour of the dielectric in an electric field.
Zusammenfassung
Eine dielektrische Flüssigkeit in einem äußeren elektrischen Feld zeigt Änderungen ihrer physikalischen Eigenschaften auf Grund einer Deformations- und einer Orientierungspolarisation. Weiterhin erleidet sie eine Volumendeformation durch Elektrostriktion.
Die vorliegende Arbeit ist ein Versuch einer quantitativen Beschreibung der Ultraschallausbreitung in einer dieelektrischen Fliissigkeit unter der Einwirkung eines transversalen elektrischen Feldes.
Zur Auffindung einer funktionalen Abhängigkeit zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit c E und der elektrischen Feldstärke E wird die Änderung der freien Energie des Mediums unter der Einwirkung des Feldes betrachtet.
Es werden allgemeine Ausdrücke für das Quadrat der Ausbreitungsgeschwindigkeit für polare und nichtpolare Dielektrika abgeleitet und mit experimentellen Ergebnissen verglichen, die für einige ausgewählte Öle mit der Phasenmethode gewonnen wurden.
Weiterhin wird die elektrostriktive Dichteänderung des Mediums im äußeren Feld für Feldstärken bestimmt, wie sie in den Experimenten angewandt werden, ebenso aber auch für Maximalwerte nahe der Durchbruchsfeldstärke.
Schließlich wird eine Analyse der experimentellen Ergebnisse im Hinblick auf die theoretischen Voraussagen vorgenommen und ein neuer Mechanismus vorgeschlagen, der für das Verhalten des Dielektrikums in einem elektrischen Feld verantwortlich ist.
Sommaire
Quand un liquide diélectrique est soumis à un champ électrique externe, il subit des variations de ses propriétés physiques par intervention des polarisations de déformation et d'orientation. Il y a également une variation de volume due à l'électrostriction.
On présente ici une analyse quantitative de la propagation d'ondes ultrasonores dans un liquide diélectrique soumis à l'action d'un champ électrique transversal. On a recherché en particulier une relation fonctionnelle entre la célérité c E de la propagation acoustique et l'intensité E du champ électrique appliqué, en s'appuyant sur le changement de l'énergie libre du milieu sous l'action du champ.
On a calculé pour c 2 E des expressions générates valuables pour des diélectriques polaires aussi bien que non-polaires et on les a comparees avec des résultats expérimentaux obtenus par la méthode des phases pour divers échantillons d'huiles.
De plus on a déterminé les changements de densité subis par les échantillons par effet d'électrostriction pour les différentes valeurs de l'intensité du champ électrique externe appliqué au cours des expériences ainsi que pour les valeurs maximales avoisinant les tensions disruptives.
Pour finir on analyse les résultats expérimentaux présentés en fonction des prédictions théoriques obtenues précédemment et on propose en conséquence un mécanisme nouveau pour expliquer le comportement d'un diélectrique en présence d'un champ électrique.
Document Type: Research Article
Publication date: 01 July 1991
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