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