МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра МНЭ
отчет
по лабораторной работе №5
по дисциплине «МЭТ»
Тема:
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Студентка гр. 0207 |
|
Бурчик Н.Е. Лиоско Е.П. |
Преподаватель |
|
Пермяков Н. В. |
Санкт-Петербург
2021
Цели работы: исследование температурных зависимостей емкости, тангенса угла диэлектрических потерь и температурного коэффициента диэлектрической проницаемости линейных и нелинейных диэлектриков.
Описание исследуемых материалов:
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).
Относительная диэлектрическая проницаемость характеризует способность различных диэлектриков поляризоваться в электрическом поле:
В общем случае диэлектрическая проницаемость зависит от температуры и частоты электрического поля.
Диэлектрическими потерями (потерями энергии в диэлектрике) называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.
Два вида диэлектрических потерь:
потери на электропроводность
(в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную)
релаксационные потери
(характерны для диэлектриков с замедленными механизмами поляризации)
Полные потери в участке изоляции с емкостью С при воздействии напряжения U с угловой частотой ω:
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 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:
ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
ε0 = 8,85∙10−12 Ф/м – электрическая постоянная; S – площадь электродов;
h – толщина диэлектрика, заключенного между электродами.
В
случае квадратных электродов:
Температурный коэффициент емкости αC отражает изменение емкости, обусловленное изменением температуры, и характеризует температурную стабильность емкости конденсатора:
Продифференцируем по T уравнение (1):
Разделим левую и правую части на (1):
В металлизированных твердотельных конденсаторах, где в качестве электродов используется тонкий слой металла изменение размеров электродов будет определяться линейным расширением диэлектрика, а не металла.
а температурный коэффициент емкости определится выражением:
Приборы и принадлежности:
Испытательная установка состоит из пульта и цифрового прибора. Термостата, термопара. В термостате размещены конденсаторы С1...C5, рабочими диэлектриками в которых являются исследуемые материалы. Выводы от расположенных в термостате конденсаторов выведены к переключателю на лицевой панели испытательного модуля, с помощью которого исследуемые конденсаторы поочередно могут быть подключены к цифровому прибору, предназначенному для измерения емкости и tg δ (измеритель иммитанса).
Обработка результатов эксперимента.
Построим температурные зависимости емкости исследованных образцов С(t).
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3
Рисунок 4
Рисунок 5
2. Построим температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tg δ исследованных образцов.
Рисунок 6
Рисунок 7
Рисунок 8
Рисунок 9
Рисунок 10
3.
Рассчитаем значения температурного
коэффициента емкости
.
Таблица 1
|
Испытуемые образцы |
||||
Неорган. стекло |
Слюда |
Тиконд |
Полипропилен |
Сегнетокерамика |
|
|
0,1117761 |
0,039479 |
-1,32452 |
-48,6969 |
373,8108 |
4.
Рассчитаем значения температурного
коэффициента диэлектрической проницаемости
αε для исследованных материалов.
Таблица 2
|
Испытуемые образцы |
|||||||||
Неорган. Стекло
|
Слюда
|
Тиконд
|
Полипропилен
|
Сегнетокерамика
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
289 |
6,87438E-05 |
7,17438E-05 |
3,43688E-05 |
4,78688E-05 |
-0,00087526 |
-0,00086726 |
-0,00135079 |
-0,00124079 |
0,132991842 |
0,133003842 |
293 |
6,86172E-05 |
7,16172E-05 |
3,43001E-05 |
4,78001E-05 |
-0,00087347 |
-0,00086547 |
-0,00135154 |
-0,00124154 |
0,13205223 |
0,13206423 |
301 |
6,85121E-05 |
7,15121E-05 |
3,46038E-05 |
4,81038E-05 |
-0,00088901 |
-0,00088101 |
-0,0015246 |
-0,0014146 |
0,074571557 |
0,074583557 |
309 |
6,92549E-05 |
7,22549E-05 |
3,45705E-05 |
4,80705E-05 |
-0,00089429 |
-0,00088629 |
-0,00152079 |
-0,00141079 |
0,066351688 |
0,066363688 |
315 |
6,91093E-05 |
7,21093E-05 |
3,45342E-05 |
4,80342E-05 |
-0,00089964 |
-0,00089164 |
-0,00150621 |
-0,00139621 |
0,063210131 |
0,063222131 |
321 |
6,90282E-05 |
7,20282E-05 |
3,45402E-05 |
4,80402E-05 |
-0,00090653 |
-0,00089853 |
-0,00151558 |
-0,00140558 |
0,053818406 |
0,053830406 |
329 |
6,86594E-05 |
7,16594E-05 |
3,44048E-05 |
4,79048E-05 |
-0,00091002 |
-0,00090202 |
-0,00150156 |
-0,00139156 |
0,027807553 |
0,027819553 |
337 |
6,85457E-05 |
7,15457E-05 |
3,43628E-05 |
4,78628E-05 |
-0,00091473 |
-0,00090673 |
-0,00150295 |
-0,00139295 |
0,028642795 |
0,028654795 |
345 |
6,84366E-05 |
7,14366E-05 |
3,43419E-05 |
4,78419E-05 |
-0,00091899 |
-0,00091099 |
-0,00150948 |
-0,00139948 |
0,010532618 |
0,010544618 |
351 |
6,84743E-05 |
7,14743E-05 |
3,43778E-05 |
4,78778E-05 |
-0,00092463 |
-0,00091663 |
-0,00151229 |
-0,00140229 |
0,020940867 |
0,020952867 |
5.
Построим температурные зависимости
температурного коэффициента диэлектрической
проницаемости
:
Рисунок 11
Рисунок 12
Рисунок 13
Рисунок 14
Рисунок 15
Вывод:
По
результатам обработки экспериментальных
данных оценим характер температурных
зависимостей
,
определяющих различные механизмы
поляризации в диэлектриках, исследованных
в работе:
Зависимость коэффициента диэлектрической проницаемости для неорганического стекла показана на рисунке 11. Из графика видно, что коэффициент уменьшается, а так как он обратно пропорционален диэлектрической проницаемости, то, следовательно,
увеличивается. Такой процесс характерен
для ионно-релаксационной поляризации.
Так же надо отметить, что на графике
температурной зависимости
не наблюдается минимума функции (т.е.
нет
).
Это объясняется тем, что с увеличением
T
рост числа ионов, которые могут
преодолеть потенциальный барьер,
увеличивается.
Из рисунка 12 видно, что коэффициент диэлектрической проницаемости слюды практически не изменяется. Такое свойство характерно для ионной поляризации, так как её инерционность очень мала. Также слюда является материалом со слоистой структурой, в которой проявляется ионная химическая связь, а ионная поляризация характерна для диэлектриков с таким типом связи.
Для тиконда характерна электронно-релаксационная поляризация, так как он отличается от других материалов низким температурным коэффициентом (рисунок 13), а, следовательно, высокой диэлектрической проницаемостью. Такой механизм поляризации присущ для соединений, содержащих ионы переменной валентности, что и наблюдается у оксидов титана. Они, как правило, содержат высокую концентрацию кислородных вакансий, которые и являются ловушками для электронов.
При рассмотрении рисунка 15 для сегнетокерамики наблюдается минимум на зависимости коэффициента диэлектрической проницаемости . На минимуме сегнетоэлектрик достигает температуры Кюри, при которой исчезает поляризация, а его диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом температуры. В точке Кюри достигает больших значений. Следовательно, для сегнетокерамики наблюдается спонтанный тип поляризации.
Полипропилен имеет электронный тип поляризации, при котором поляризуемость не зависит от температуры из-за того, что поляризация обусловлена внутриатомными процессами. На эти процессы тепловое движение не оказывает влияние. На графике полипропилена (рисунок 14) видно, что , практически не изменяясь, в конечном счете увеличивается. Следовательно, диэлектрическая проницаемость уменьшается. Такое поведение графика характерно электронной поляризуемостью и объясняется тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа поляризуемых частиц в единице объема.
В
ходе обработки результатов были построены
температурные зависимости емкости и
тангенсов углов диэлектрических потерь
для конденсаторов с различными
диэлектриками. Были рассчитаны значения
теплового коэффициента
емкости и теплового коэффициента
диэлектрической проницаемости для
данных диэлектриков. Для каждого
материала был определен тип поляризации.