Материалы и компоненты электронных средств [РТФ, Самохвалов, 4 семестр] / Материалы электронных средств

3 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Измерение электрических сопротивлений диэлектриков проводятся

на постоянном токе тремя методами: методом непосредственного отклонения, методом заряда конденсатора и мостовым методом.

Метод непосредственного отклонения основан на измерении величины тока, проходящего через испытуемый образец, при известной разности потенциалов между электродами.

Сущность метода заряда конденсатора устоит в измерении величины заряда конденсатора, накопленного в нем, и тока, протекающего через испытуемый образец.

Процесс измерения мостовым методом сводится к включению испытуемого образца в одно из плеч моста, изменению одного или нескольких сопротивлении других плеч до установки нулевого тока в диагонали моста

ивычислению сопротивления образца по известной формуле.

Вданной работе для измерения удельного объемного и поверхностного сопротивлений используется метод непосредственного отклонения. На рис.1 представлена принципиальная, схема установки, а на рис.2 – схе-

мы включения образца с охранным кольцом для измерения V (рис.2, б) и

S (рис.2, в).

11

Рис. 2. Схема включения образца диэлектрика

Для измерений V и S твердых диэлектриков берутся образцы в виде квадратных или круглых пластин. К поверхности образцов должны прилегать электроды из фольги или металла, нанесенного на поверхность диэлектрика распылением. Образец диэлектрика включается в цепь источника постоянного тока. Значение V вычисляется на основании измеренного тока объемной утечки IV, протекающего через объем диэлектрика между электродами А и В. Значение S соответственно вычисляется на основании тока поверхностной утечки IS, протекающего по поверхности диэлектрика между электродом А и охранным кольцом Б. Величина токов IV, и IS измеряется с помощью зеркального гальванометра G, включенного последовательно с испытуемым образцом диэлектрика. Для расширения пределов измерения используется универсальный шунт Ш. Ключ K1 служит для успокоения гальванометра. Напряжение на образце определяют по вольтметру источника питания V. При этом падением напряжения на резисторе R0 и гальванометре пренебрегают. Токоограничивающий резистор R0 исключает возможность возникновения в цепи больших токов при пробое образца или при случайно возникшем коротком замыкании в цепи; сопротивление его установлено много меньше сопротивления образца. Тумблер К2 служит для включения образца по схеме рис.2,б или рис.2, в (измерение V и S).

12

4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Собрать установку по схеме рис. 1.

2.При выключенной установке подключить образец диэлектрика к клеммам «А, Б» и «В» согласно рис.2.

3.Включить источник питания. Произвести измерения нескольких значений тока и напряжения для объемного сопротивления. Уменьшить напряжение до нуля и повторить измерения для поверхностного сопротивления.

4.Повторить измерения по пп.2 и 3 для других образцов диэлек-

триков.

6.По результатам измерений рассчитать V и S по формулам:

где U – напряжение, приложенное к диэлектрику, В; S – площадь верхнего электрода А, см2; h – толщина образца, см; IV – ток через диэлектрик, А, D2 – внутренний диаметр охранного кольца Б, см; D1 – диаметр верхнего электрода А, см; IS – ток, протекающий по поверхности диэлектрика, А.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1.Определение и размерность удельного сопротивления.

2.Виды электропроводности диэлектриков.

3.Как влияет температура на сопротивление диэлектриков?

4.Объемное и поверхностное сопротивления диэлектриков. Зависимость поверхностного сопротивления от внешних воздействий.

5.При каких условиях для электроизоляционных материалов соблюдается закон Ома?

6.Методы измерения сопротивления диэлектриков.

13

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

«ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ»

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение методики определения диэлектрической проницаемости.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ При воздействии электрического поля на диэлектрик, в нем происхо-

дят процессы поляризации. Они выражаются в том, что связанные друг с другом электрические заряды смещаются под действием электрического поля. При этом положительные заряды смещаются по направлению электрического поля, а отрицательные – против него. Смещение заряженных частиц в диэлектрике ограничивается межмолекулярными и атомными силами, а также силами упругой связи.

Диэлектрическая проницаемость – величина, характеризующая способность диэлектрика образовывать емкость конденсатора и равная отношению плотности электрического заряда на электродах при данном диэлектрике к плотности заряда при тех же условиях в вакууме.

Диэлектрические потери – это мощность, рассеиваемая в диэлектрике под воздействием на него электрического поля. Они характеризуются обычно тангенсом угла диэлектрических потерь.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в параллельной емкостной цепи. Чем больше активная составляющая, тем больше tg , тем больше потери энергии. В качественных диэлектриках tg = 10-4 10-5. Диэлектрики с малым tg применяются на высоких частотах и называются

высокочастотными.

14

3 МЕТОДИКАВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Для измерения емкости исследуемых диэлектриков используется

прибор Е12-1 – измеритель индуктивностей и емкостей высокочастотный. Измерение емкости и индуктивности производится резонансным методом с индикацией момента резонанса по нулевым биениям.

Для измерений могут быть использованы и другие приборы Значение диэлектрической проницаемости можно вычислить, зная

геометрические размеры образца, по формуле

C d ,

0 S

где С – емкость образца, Ф; S – площадь электрода, м2 ; d – толщина диэлектрика, м; 0 – электрическая постоянная, 0 8,854 10 12 Ф/м.

Для образца в виде диска с диаметром D и толщиной d –

4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Используя описание данной работы и инструкцию по эксплуата-

ции измерителя емкостей, произвести измерения емкости образцов различных диэлектрических материалов.

Е12-1

С

Рис. 1 Схема измерительной установки

15

2.Измерение толщины образцов твердых диэлектриков производить

спомощью микрометра (для известных образцов использовать данные у преподавателя или лаборанта, так же получить данные о размерах электродов для вычисления их площади).

3.Рассчитать значения диэлектрических проницаемостей исследуемых диэлектриков.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1.Объяснить процесс поляризации диэлектриков. Какой параметр количественно характеризует способность диэлектрика поляризоваться?

2.Механизмы поляризации диэлектриков. Какова инерционность различных механизмов поляризации? Какие виды поляризации связаны с рассеянием энергии?

3.Что такое диэлектрические потери? Какова связь между мощностью диэлектрических потерь и tg ?

4.Виды диэлектрических потерь. Их зависимость от внешних факто-

ров.

5.Схемы замещения реальных диэлектриков и их векторные диа-

граммы.

16

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

«ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ»

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ Исследование электрического пробоя твердых диэлектриков.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Электрическая прочность представляет собой физическую характе-

ристику электроизоляционного материала, с помощью которой оценивается способность материала противостоять электрическому пробою. Под электрической прочностью диэлектрика понимается минимальное значение напряженности электрического поля, при которой в диэлектрике возникает пробой, т. е. резкое увеличение электропроводности и потеря изоляционных свойств. Пробивная напряженность Епр определяется величиной пробивного напряжения Vпр, отнесенного к толщине диэлектрика d в точке пробоя: Епр = Vпр / d.

В эксплутационных условиях электрические поле, прежде всего, неоднородно, поэтому электрическую прочность находят на образцах в условиях неоднородного поля, и полученное значение называют средней про-

бивной напряженностью или средней электрической прочностью. Эта величина существенно зависит от толщины образца, его площади, свойств окружающей среды. Поэтому для средней напряженности необходимо указывать еще условия испытания.

3 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Определение электрической прочности диэлектриков производится

на установке (рис.1).

17

Твердые диэлектрики для испытания на диэлектрическую прочность помещаются между двумя цилиндрическими электродами.

Рис.1. Схема измерительной установки

Установка подключается к сети с помощью тумблера К. Напряжение подается на автотрансформатор Tp1, о чем сигнализирует лампочка Л. Величину напряжения, поданного на высоковольтный трансформатор Тр2, фиксирует вольтметр V. Резистор R0 служит для ограничения тока разряда при пробое. Реле P1 отключает схему при пробое. БК – блокировочные контакты.

4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Получить задание (несколько образцов твердых диэлектриков по указанию преподавателя), определить толщину образцов d.

2. Определить пробивное напряжение Vпр и рассчитать Епр образцов. ВНИМАНИЕ! Все переключения производить при отключенном питании. Установка и снятие образцов при включенном питании опасно для

жизни.

3. Повторить измерения n раз (n задастся преподавателем) для новых образцов. Обработать результаты в строгой последовательности:

а) вычислить среднее арифметическое А по формуле

n

A a1 a2 ... an i 1ai ; n n

18

б) определить приближенно значение среднего квадратичного откло-

где pi – отклонение результата измерений от среднего значения; n – число измерений;

в) выявить случайные промахи;

г) в случае исключения промахов заново вычислить A и .

Примечания:

1.Измерение толщины образцов твердых диэлектриков производить

спомощью микрометра (для известных образцов использовать данные у преподавателя или лаборанта).

2.Пробивная напряженность определяется при использовании переменного напряжения:

В случае использования постоянного напряжения – Eпр Vd .

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1.Что понимается под электрической прочностью диэлектрика?

2.Виды пробоя газов, жидких и твердых диэлектриков. Почему электрическая прочность твердых диэлектриков больше, чем газообразных?

3.В чем проявляются отличия электрического (лавинного) механизма пробоя диэлектриков от теплового?

4.Влияние частоты электрического поля и температуры на электрическую прочность диэлектрика.

5.Что называется запасом диэлектрика по электрической прочности?

19

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

«ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ»

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение основных свойств сегнетоэлектриков и ознакомление с ме-

тодикой определения диэлектрических потерь в сегнетоэлектрике.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Сегнетоэлектриками называются диэлектрические (а также полу-

проводниковые) кристаллы, обладающие самопроизвольной (спонтанной) поляризацией в определенном интервале температур и давлений. По характеру свойств сегнетоэлектрики схожи с ферромагнетиками, поэтому в литературе их часто называют ферроэлектриками. В настоящее время известно более ста соединений, обладающих самопроизвольной поляризацией. Создателем теории сегнетоэлектриков считается академик И. В. Курчатов. Он исследовал свойства сегнетовой соли, по которой и названа эта группа материалов. Кроме этой соли к сегнетоэлектрикам относятся: дигидрофосфат калия, дигидроарсенат калия, метатитанат бария, ряд твердых растворов на основе окислов титана, висмута, стронция, циркония и др.

Сегнетоэлектрики используются в производстве малогабаритных конденсаторов с высокой емкостью, пьезоэлектрических преобразователей; оптически прозрачные сегнетоэлектрики применяются в квантовой электронике для управления лазерным лучом. Кроме того, из сегнетокерамики изготавливают конденсаторы – вариконды, которые отличаются резкой зависимостью емкости от приложенного напряжения. В настоящее время вариконды выполняют различные функции в электронных средствах (диэлектрические усилители, умножители и делители частоты, стабилизаторы напряжения, элементы запоминающих устройств и т. д.).

20