лр5 / ЛР5 Лобазев 9494

_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ}

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МНЭ

отчет

по лабораторной работе №5

по дисциплине «Электротехническое материаловедение»

Тема: Исследование свойств диэлектрических

конденсаторных материалов

Студент гр. 9494		Лобазев Н. А.
Преподаватель		Никонова В. 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:

где – емкость конденсатора с диэлектриком; – 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 с угловой частотой :

где – угол диэлектрических потерь.

Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол ; при этом угол равен нулю.

Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз и тем больше угол диэлектрических потерь и соответственно . Параметр характеризует способность диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле и, очевидно, определяет диапазон частот, в котором возможно использование конденсатора с данным диэлектриком.

Емкость конденсатора определяется как отношение накопленного в нем заряда к напряжению , приложенному к электродам, и зависит от конструкции и геометрических размеров конденсатора, а также от диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Емкость плоского конденсатора определяется выражением

где – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; – электрическая постоянная; – площадь электродов; – толщина диэлектрика, заключенного между электродами.

В случае квадратных электродов , где – сторона квадрата.

Как следует из (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 изменение емкости, обусловленное изменением температуры, и, следовательно, характеризует температурную стабильность емкости конденсатора. Общее определение этого параметра соответствует выражению

Дифференцируя (5.1) по переменной T, где T – температура; – площадь электрода, получим:

Разделив левую и правую части (5.3) на левую и правую части (5.1), придем к выражению

где , и – температурные коэффициенты относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика, линейного расширения металл электродов и линейного расширения диэлектрика соответственно.

В металлизированных твердотельных конденсаторах, где в качестве электродов используется тонкий слой металла, нанесенный непосредственно на твердый диэлектрик, изменение размеров электродов будет определяться линейным расширением диэлектрика, а не металла. И тогда можно считать , а температурный коэффициент емкости определится выражением

Характер температурной зависимости емкости конденсатора определяется механизмами поляризации рабочего диэлектрика, а параметр 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 .

Различают высокочастотные и низкочастотные конденсаторные материалы. В качестве высокочастотных применяются неполярные полимеры, ионные диэлектрики с плотной упаковкой ионов.

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 повышенными значениями , но обладают весьма высокой диэлектрической проницаемостью, что позволяет изготавливать на их основе конденсаторы большой емкости с малыми габаритами.

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

Описание установки

Испытательная установка состоит из пульта и цифрового прибора, измеряющего емкость и . 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 цифровому прибору, предназначенному для измерения емкости и (измеритель иммитанса).

Протокол к ЛР №5

«Исследование свойств диэлектрических конденсаторных материалов»

Обработка результатов измерений

1. По экспериментальным данным таблицы протокола наблюдений построим температурные зависимости емкости исследованных образцов С(t), а также построим температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь исследованных образцов.

2. Рассчитаем значения температурного коэффициента ёмкости для исследованных образцов, исходя из (5.2). Для всех образцов определим 10 значений температурного коэффициента ёмкости . Рассчитаем значения температурного коэффициента диэлектрической проницаемости , исходя из (5.4). Полученные результаты сведем в таблицу.

	Неорганическое стекло		Слюда		Тиконд
24	0,024884	0,024881	0,024884	0,02487	-0,09124	-0,09125
32	0,022119	0,022116	0,027649	0,027635	-0,1106	-0,1106
44	0,018959	0,018956	0,018959	0,018946	-0,08532	-0,08532
58	0,038155	0,038152	0,033179	0,033165	-0,11612	-0,11613
62	0,023225	0,023222	0,033179	0,033165	-0,13271	-0,13272
64	0,033179	0,033176	0,016589	0,016576	-0,06636	-0,06637
68	0,026543	0,033176	0,026543	0,016576	-0,10617	-0,06637
73	0,016589	0,016586	0,016589	0,016576	-0,06636	-0,06637
77	0,022119	0,022116	0,022119	0,022106	-0,08848	-0,08848
80	0,022119	0,022116	0,022119	0,022106	-0,04424	-0,04425

	Полипропилен		Сегнетокерамика
24	-0,04976775	-0,04988	5,441274	5,441262
32	-0,04976775	-0,04988	80,54081	80,5408
44	-0,056877429	-0,05699	-58,1098	-58,1098
58	-0,116124751	-0,11623	-18,497	-18,497
62	-0,099535501	-0,09965	-26,7087	-26,7087
64	-0,0331785	-0,03329	-10,3849	-10,3849
68	-0,132714001	-0,03329	-12,077	-10,3849
80	-0,04976775	-0,04988	-7,89648	-7,8965
73	-0,066357001	-0,06647	-6,92325	-6,92326
77	-0,110595001	-0,11071	-1,94647	-1,94648

Пример расчётов:

3. Исходя из значений таблицы пункта 2, построим температурные зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости αε для всех исследуемых образцов.

Вывод:

1. Неорганическое стекло

Для неорганического стекла характерна ионно-релаксационная поляризация, которая объясняется срыванием с мест закрепления и перемещением слабо связанных ионов. Такой вид поляризации может проявляться только в твердых диэлектриках с ионным характером химической связи. В случае такой поляризации растет значение относительной диэлектрической проницаемости, соответственно, температурный коэффициент убывает.

2. Слюда

Для слюды характерен ионный тип поляризации, так как слюда имеет слоистую структуру, в которой при действии электрического поля на диэлектрик происходит “попытка” разделения кристаллической решётки на катионы и анионы. При этом упругие силы связи между ионами препятствуют этому разделению. Таким образом происходит смещение на расстояния много меньшие периода кристаллической решётки. С повышением температуры расстояния между ионами увеличиваются вследствие теплового расширения диэлектрика. Это сопровождается ослаблением сил упругой связи в диэлектрике, увеличением диэлектрической проницаемости и, соответственно, возрастанием поляризованности и уменьшением температурного коэффициента (как мы и видим на зависимости).

3. Тиконд

Для тиконда характерен электронно-релаксационный тип поляризации, который проявляется при тепловом возбуждении слабосвязанных электронов, локализованных на примесных ионах или точечных дефектах структуры. Действие электрического поля стимулирует однонаправленность электронных переходов, которая и является причиной возникновения электрического момента. Такой механизм поляризации характерен для соединений, содержащих ионы переменной валентности, что присуще оксидам титана, коим и является рассматриваемый в работе тиконд. Инерционность такого типа поляризации резко возрастает с уменьшением температуры.

4. Полипропилен

Полипропилен имеет электронный тип поляризации, при котором поляризуемость частиц не зависит от температуры, так как обусловлено внутриатомными процессами, на которое тепловое движение не оказывает влияния. Тем не менее диэлектрическая проницаемость, обусловленная таким механизмом поляризации, уменьшается с повышением температуры, что мы и видим по полученной возрастающей зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Это объясняется тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа поляризуемых частиц в единице объема.

5. Сегнетокерамика

Доменный тип поляризации, определяемый максимумом на зависимости относительной диэлектрической проницаемости. В данной точке сегнетоэлектрик достигает температуры Кюри, при которой исчезает его спонтанная поляризация, его относительная диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом температуры. А относительная проницаемость у сегнетоэлектрика в точке Кюри, где происходит фазовый переход, достигает очень больших значений – 10⁴ и выше.

В ходе данной лабораторной работы были построены температурные зависимости емкости конденсаторов и тангенсов углов диэлектрических потерь для конденсаторов с различными диэлектриками. Были рассчитаны значения теплового коэффициента емкости и теплового коэффициента диэлектрической проницаемости. По полученным значениям построены температурные зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости для разных диэлектриков, по ним определены типы поляризации каждого.