Добавил:
alena.pankalya@mail.ru Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лабораторная работа 5

.doc
Скачиваний:
190
Добавлен:
26.12.2017
Размер:
488.45 Кб
Скачать

МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

Кафедра микро- и наноэлектроники

ОТЧЁТ

по лабораторной работе №5

по дисциплине «Материалы электронной техники»

Тема: Исследование свойств конденсаторных материалов

Студентка гр. 6205 _____________________ Кравцова П.Д.

Преподаватель _____________________ Мазинг Д.С.

Санкт-Петербург

2017

Лабораторная работа № 5

Исследование свойств конденсаторных материалов

Описание установки

Испытательная установка состоит из пульта и цифрового моста, измеряющего емкость и tg δ. В испытательном модуле находится термостат, температура в котором может изменяться регулятором «Установка температуры».

Температура в термостате измеряется с помощью термопары, подключенной к расположенному на пульте прибору, проградуированному в градусах Цельсия.

В термостате размещены конденсаторы С1...C5, рабочими диэлектриками в которых являются исследуемые материалы (их наименования указаны на пульте).

Выводы от расположенных в термостате конденсаторов выведены к переключателю на лицевой панели испытательного модуля, с помощью которого исследуемые конденсаторы поочередно могут быть подключены к измерителю емкости.

В положении переключателя «С0» измеряется емкость проводников, соединяющих образцы в термостате с измерительным прибором.

В качестве измерителя емкости может быть применен любой прибор, позволяющий измерять емкость с точностью до десятых долей пикофарады. Часто такие приборы позволяют измерять не только емкости образцов, но и потери в них, характеризуемые значениями tg δ.

В данной работе использован цифровой прибор, предназначенный для измерения емкости и tg δ на определенной фиксированной частоте.

Основные понятия и определения

К конденсаторным материалам относят материалы, применяемые в качестве рабочего диэлектрика в конденсаторах. К основным параметрам конденсатора относят емкость С, температурный коэффициент емкости αс и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ. Значения этих параметров во многом обусловлены свойствами используемого диэлектрического материала, основными характеристиками которого являются относительная диэлектрическая проницаемость ε и температурный коэффициент диэлектрической проницаемости αε.

Относительная диэлектрическая проницаемость характеризует способность различных диэлектриков поляризоваться в электрическом поле: ε = Сд0, где Сд – емкость конденсатора с диэлектриком; С0 – емкость того же конденсатора в вакууме.

Поляризация может быть вызвана упругим смещение и деформацией электронных оболочек под действием поля (электронная поляризация), ориентацией дипольных молекул (дипольно-релаксационная поляризация), смещением ионов (ионная и ионно- релаксационная поляризация). Электронная и ионная поляризации устанавливаются практически мгновенно. Остальные механизма 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 пояризованностью.

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 и проявляются в области достаточно высоких частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля.

Полные потери в участке изоляции с емкостью С при воздействии напряжения U с угловой частотой ω

Pa = U2ωCtgδ,

где δ – угол диэлектрических потерь.

Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкости 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 его функция tg δ. Параметр tg δ характеризует способность диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле. Он безразмерный, не зависит от формы и размеров участка изоляции, а определяется только свойствами диэлектрика.

Параметр tg δ определяет диапазон частот, в котором возможно использование конденсатора с данным диэлектриком

При измерениях диэлектрической проницаемости и tg δ на промышленной и звуковых частотах обычно используют мостовые схемы, а для измерений в диапазоне радиочастот наибольшее распространение получили резонансные методы

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.

Емкость плоского конденсатора определяется выражением:

(5.1)

где ε0= 8,85-10-12Ф/м - электрическая постоянная; ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – площадь электродов, h- толщина диэлектрика, заключенного между электродами.

В случае квадратных электродов S=l2 , где l – сторона квадрата.

Как следует из выражения (5.1), при создании конденсаторов для увеличения емкости необходимо оптимизировать их размеры и выбирать материалы с возможно большим значением относительной диэлектрической проницаемости.

Температурный коэффициент емкости αC отражает отклонение емкости, обусловленное изменением температуры и, следовательно, характеризует температурную стабильность емкости конденсатора. Общее определение этого параметра соответствует выражению:

αC= (1/C)·(dC/dТ) (5.2)

Дифференцируя выражения (5.1) по переменной Т, где Т-температура; S=l2, получим:

dC/dТ= ε[ (l2/h)·(dε/dТ) + (2εl/h)·(dl/dТ) – (εl2/h2)·(dh/dТ) ] (5.3)

Разделив левую и правую часть выражения (5.3) на левую и правую часть выражения (5.1), придем к выражению:

(1/C)·(dC/dТ) = (1/ε)·(dε/dТ) + (2/l)·(dl/dТ) – (1/h)·(dh/dТ),

или

α= αε + 2αlм –αlд,

где αε, αlм и αlд – температурные коэффициенты относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика, линейного расширения металла электродов и линейное расширение диэлектрика соответственно.

В металлизированных твердотельных конденсаторах, где в качестве электродов используют тонкий слой металл, нанесенный непосредственно на твердый диэлектрик, в этом случае изменение размеров электродов будет определяться линейным расширением диэлектрика, а не металла. И тогда можно считать αlм = αlд, а температурный коэффициент емкости определяется выражением:

αс = αε + αlд. (5.4)

Характер температурной зависимости емкости конденсатора определяется механизмами поляризации рабочего диэлектрика, а параметр αс может быть положительным, отрицательным и близким к нулю.

Для повышения температурной стабильности емкости конденсатора желательно, чтобы материал, применяемый для его изготовления, имел бы возможно меньшее значение температурного коэффициента относительной диэлектрической проницаемости αε.

Различают высокочастотные и низкочастотные конденсаторные материалы. В качестве высокочастотных применяются неполярные полимеры, ионные диэлектрики с плотной упаковкой ионов. На высоких частотах в этих диэлектриках определяющую роль играют мгновенные виды поляризации - электронная или ионная. Потери энергии в этом случае обусловлены в основном потерями на электропроводность.

Неполярные диэлектрики имеют малые значения тангенса угла диэлектрических потерь tg δ, который растет при увеличении температуры по экспоненциальному закону.

К низкочастотным материалам относятся полярные полимеры, диэлектрики с сегнетоэлектрическими свойствами. В области низких частот в них преобладают замедленные механизмы поляризации; потери энергии носят релаксационный характер. Материалы этой группы характеризуются повышенным значение tg δ, но обладают весьма высокой диэлектрической проницаемостью, что позволяет изготавливать на их основе конденсаторы большой емкости с малыми габаритами.

В настоящей работе исследуются параметры металлизированных конденсаторов, в которых в качестве рабочего диэлектрика используются диэлектрические материалы с различными видами поляризации и механизмами диэлектрических потерь.

Исходные данные

Испытатель-ная темпе-ратура t, °С

Испытуемые образцы

«1»

«2»

«3»

«4»

«5»

Неорганическое стекло

Слюда

Тиконд

Полипропилен

Сегнетокерамика

c1, пФ

tg

c2, нФ

tg

c3, пФ

tg

c4, нФ

tg

c5, нФ

tg

22

1637,6

0,005

1,71

0,0537

1506,6

0,007

2,399

0,0605

2,302

0,0574

32

1638,7

0,0041

1,711

0,0542

1486,8

0,007

2,392

0,0606

4,083

0,0566

46

1639,1

0,0041

1,712

0,0542

1469,3

0,0073

2,386

0,0607

5,36

0,084

58

1639,8

0,0041

1,712

0,0544

1447,1

0,0077

2,375

0,0607

14,773

0,1176

64

1640,5

0,004

1,713

0,0545

1436,6

0,0079

2,366

0,0607

9,615

0,0475

68

1640,2

0,0038

1,714

0,0545

1431,6

0,0079

2,363

0,0608

7,752

0,0487

70

1641

0,0036

1,713

0,0546

1427,4

0,008

2,36

0,0608

6,787

0,0499

74

1641,2

0,0037

1,713

0,0547

1423,6

0,0079

2,357

0,0608

6,063

0,0786

76

1641,5

0,0036

1,714

0,0547

1420,3

0,008

2,355

0,0608

5,366

0,0731

82

1641,5

0,0036

1,717

0,0547

1414,7

0,008

2,35

0,0608

4,467

0,0608

88

1641,6

0,0036

1,714

0,0548

1409

0,0083

2,345

0,0608

3,74

0,0621

C0=15,22 пФ

Обработка результатов

  1. По экспериментальным данным построим температурные зависимости емкости исследованных образцов С(Т).

  1. По экспериментальным данным построим температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tg δ исследованных образцов

  1. Рассчитаем значение температурного коэффициента емкости αс для исследованных образцов, пользуясь выражением αс = (1/С)*(dС/dT). Значение производной dС/dT найдем путем графического дифференцирования. Для этого воспользуемся средой MSExcel и с помощью функции ЛИНЕЙН() (аппроксимация исходных данных линейной зависимостью y=k*x+b, производная dС/dT при данной температуре равна коэффициенту k) найдем значение производных. Результаты расчётов занесем в таблицу 5.2.

Пример вычислений:

Найдем значение производной для первого образца. В формулу линейно подставим экспериментальные данные для неорганического стекла. Получим значение коэффициента k1 = 5,7697E-14.

Найдем значение температурного коэффициента емкости для температуры 22°С (295К), С= 1,6376E-09Ф

αс = (1/ 1,6376E-09)*( 1,1E-13), αс = 0,000067 К-1.

  1. Пользуясь формулой αс = αε + αlд, рассчитаем значение температурного коэффициента диэлектрической проницаемости αε для исследованных материалов. Результаты расчётов занесем в таблицу 5.2.

Пример вычислений:

образец 1 (неорганическое стекло), Т=22°С, αс =0,000067 К-1, αlд = 3,00E-06 К-1

αε = αс - αlд, αε = 0,67E-04 - 3,00E-06, αε = 0,000064 К-1.

Значение температурного коэффициента линейного расширения диэлектрика αlд:

"1"

"2"

"3"

"4"

"5"

Неорганическое стекло

Слюда

Тиконд

Полипропилен

Сегнетокерамика

3,00E-06

1,35E-05

8,00E-06

1,10E-04

1,20E-05

Таблица 5.2

  1. По данным таблицы 5.2. построим температурные зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости αε для всех исследованных материалов

Выводы

При построении графиков температурной зависимости емкости мы обнаружили что графики 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.

Совсем иначе ведет себя сегнетокерамика, емкость такого конденсатора растёт до некоторой температуры 58°С (С= 14,773 нФ), далее уменьшается т.к. уменьшается диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика.

При построении температурной зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости αε мы получили, что для неорганического стекла и слюды данный коэффициент положителен. Для тиконда и полипропилена αε имеет отрицательное значение. В случае с сегнетокерамикой коэффициент изменятся с ростом температуры от положительных до отрицательных значений.