Материал: 9493_Старикова_МЭТ_5
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра МНЭ
отчет
по лабораторной работе №5
по дисциплине «Материалы электронной техники»
Тема: Исследование свойств диэлектрических конденсаторных материалов
Студентка гр. 9493 |
|
Старикова А.С. |
Преподаватель |
|
Марасина Л.А. |
Санкт-Петербург
2021
Цель работы: Исследование температурных зависимостей емкости, тангенса угла диэлектрических потерь и температурного коэффициента диэлектрической проницаемости линейных и нелинейных диэлектриков.
Основные понятия и определения:
Диэлектрики – это материалы или среды с удельным сопротивлением более 108 Ом∙м, в которых при приложении электрического поля возникает эффект поляризации.
Поляризация может быть вызвана упругим смещением и деформацией электронных оболочек под действием поля (электронная поляризация), ориентацией дипольных молекул (дипольно-релаксационная поляризация), смещением ионов (ионная и ионно-релаксационная поляризация), упорядочением атомных групп (доменов), обладающих дипольным моментом (спонтанная поляризация). Электронная и ионная поляризации устанавливаются практически мгновенно. Остальные механизмы поляризации относятся к замедленным видам.
В процессе поляризации диэлектрик приобретает электрический момент, на его поверхностях образуются связанные заряды, на обкладках удерживается дополнительный заряд. В результате емкость конденсатора возрастает.
Состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема, называют поляризованностью.
Относительная диэлектрическая проницаемость характеризует способность различных диэлектриков поляризоваться в электрическом поле:
ε = Сд/С0 ,
где Сд – емкость конденсатора с диэлектриком; С0 – емкость того же конденсатора в вакууме.
В общем случае диэлектрическая проницаемость зависит от температуры и частоты электрического поля. Характер зависимости определяется присущими диэлектрику механизмами поляризации.
При включении конденсатора под напряжение в нем наблюдаются потери электрической энергии, приводящие к его разогреванию. Потери энергии складываются из потерь в диэлектрике и потерь в проводящих частях конденсатора.
Диэлектрическими потерями (потерями энергии в диэлектрике) называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. Различают два основных вида диэлектрических потерь: потери на электропроводность и релаксационные потери. Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную, и наблюдаются во всех диэлектриках, как на постоянном, так и на переменном напряжении, причем являются преобладающими при низких частотах и при повышенных температурах. Релаксационные потери обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Они характерны для диэлектриков с замедленными механизмами поляризации, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля.
Полные потери в участке изоляции с емкостью С при воздействии напряжения U с угловой частотой ω:
Ра=U2ωCtgδ, где δ – угол диэлектрических потерь.
Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющий до 90°
угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол π/2; при этом угол δ равен нулю.
Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз φ и тем больше угол диэлектрических потерь δ и соответственно tg δ. Параметр tg δ характеризует способность диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле и, очевидно, определяет диапазон частот, в котором возможно использование конденсатора с данным диэлектриком.
Емкость конденсатора С определяется как отношение накопленного в нем заряда Q к напряжению U, приложенному к электродам, и зависит от конструкции и геометрических размеров конденсатора, а также от диэлектрической проницаемости диэлектрика.
В настоящей работе исследуются параметры конденсаторов, в которых в качестве рабочего диэлектрика используются диэлектрические материалы с различными видами поляризации и механизмами диэлектрических потерь.
Протокол к лабораторной работе №5
Обработка результатов эксперимента:
Построение температурных зависимости емкости исследованных образцов:
Построение температурных зависимостей тангенса угла диэлектрических потерь для каждого образца
Расчет значения температурного коэффициента емкости для исследованных образцов, нахождение значения производной путем графического дифференцирования.
Для неорганического стекла:
Для слюды:
Для тиконда:
Для полипропилена:
Для сегнетокерамики:
Таблица 1:
-
Температура,
Исследуемые образцы
1
2
3
4
5
Неорганическое
стекло
Слюда
Тиконд
Полипропилен
Сегнетокерамика
28
0,00037
0.0003673
0,002649
0.002653
0,00322
0.0032137
-0,00199412
-0.002104
0,04254
0.04254
32
0,00191
0.0019073
0,000406
0.0003926
-0,00216
-0.0021682
-0,00031739
-0.0004274
0,836335
0.836339
36
0,001529
0.001526
0,000138
0.0001247
-0,00059
-0.000599
-0,00021186
-0.000321864
-0,06864
-0.06866
44
0,00019
0.00019
9,81764*
8.5*
-0,00085
-0.0008585
-0,00028297
-0.000392965
-0,03902
-0.03903
50
0,000218
0.0002147
0,000169255
0.0001558
-0,00091
-0.000916
-4,2517*
-0.000152517
-0,01812
-0.01813
60
0,00072
0.000727
0,000881575
0.000895
-0,0011
-0.0011096
-0,00095704
-0.00106704
-0,0297
-0.02971
64
0,000868
0.000865
0,001228743
0.0012152
-0,00174
-0.0017526
-0,00049815
-0.00060815
-0,07484
-0.07485
70
0,00185
0.001849
6,09875
7.45*
-0,00044
-0.0004458
-0,00042827
-0.000538266
-0,00747
-0.00748
76
0,003258
0.0032546
0,000219635
0.0002061
-0,00028
-0.0002927
-0,00042937
-0.00054
-0,00513
-0.00515
Расчет значений температурного коэффициента диэлектрической проницаемости для исследуемых материалов.
Для неорганического стекла:
Для слюды:
Для тиконда:
Для полипропилена:
Для сегнетокерамики:
Вывод:
В данной лабораторной работе мы исследовали температурные зависимости емкости, тангенс угла диэлектрических потерь и температурный коэффициент диэлектрической проницаемости линейных и нелинейных диэлектриков.
Наблюдая за графиками, у сегнетокерамики ёмкость такого конденсатора растёт до некоторой температуры (36°C), далее уменьшается т.к. уменьшается диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика. Для первых четырех образцов линейны: для неорганического стекла и слюды с ростом температуры увеличивается емкость. У конденсатора с полипропиленовым диэлектриком и диэлектриком из тиконда емкость уменьшается с ростом температуры.
При построении температурной зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости αε мы получили, что для неорганического стекла и слюды данный коэффициент положительный. Для тиконда и полипропилена αε имеет отрицательное значение. В случае с сегнетокерамикой коэффициент изменятся с ростом температуры от положительных до отрицательных значений.
Контрольные вопросы:
Дайте определения относительной диэлектрической проницаемости ε. Назовите основные виды поляризации диэлектриков.
Относительная диэлектрическая проницаемость среды ε — физическая величина, показывающая во сколько раз заряд конденсатора с диэлектриком больше зарядов конденсатора в вакууме, и характеризует способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.
Основные виды поляризации диэлектриков: электронная – это деформация электронных оболочек атомов под действием электрического поля. Диэлектрики, в которых электронная поляризация это единственный вид поляризации называются неполярными(водород, бензол, сера, полиэтилен). Время установления поляризации это 10-15 секунд; ионная – поляризация обусловлена упругим смещением ионов на расстояние не превышающее периода решетки, эта поляризация характерна для диэлектриков кристаллическая решетка которых состоит из ионов(натрий хлор, кварц, корунд, слюда). Чем больше заряд несет ион, тем сильнее поляризация. Время установления 10-13секунд; дипольно-релаксационная – эта поляризация является замедленной. Наблюдается