МЭТ / МЭТ ПЕТРУНИН 5

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

Кафедра микро- и наноэлектроники

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №5

по дисциплине «Материалы электронной техники»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КОНДЕНСАТОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Студент гр. 1205	Петрунин О.А.
Преподаватель	Бройко А.П.

Санкт-Петербург 2022

Цель работы: исследование температурных зависимостей емкости, тангенса угла диэлектрических потерь и температурного коэффициента диэлектрической проницаемости линейных и нелинейных диэлектриков.

Основная теория: 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.

1) ε = С_д/С₀ – относительная диэлектрическая проницаемость.

2) Р_а=U²ωCtgδ – полные потери в участке изоляции.

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.

3) C = εε₀S/h – ёмкость плоского конденсатора.

ε0 = 8,85∙10−12 Ф/м – электрическая постоянная.

4) - температурный коэффициент ёмкости

5) - - дифференцированная форма температурного коэффициента

Обработка результатов

С₀=14,88 пФ

α₁=3·10^-6 К^-1, α₂=13,5·10^-6 К^-1, α₃=8·10^-6 К^-1, α₄=1,1·10^-4 К^-1, α₅=12·10^-6 К^-1

Обработка результатов:

1. Зависимости С(t):

2. Зависимости tgδ:

3. Рассчитаем значения температурного коэффициента ёмкости:

Значение dC/dt равно коэффициенту наклона аппроксимирующей прямой, т.е:

2*10-13 для С₁

3*10-14 для С₂

-1*10-12 для С₃

1*10-14 для С₄

3*10-13 для С₅

Испытуемые образцы

Неорганическое стекло (αд=3∙10–6 К-1)

Слюда (αд=13,5∙10-6 К–1)

Тиконд (αд=8∙10–6 К–1)

Полипропилен (αд=1,1∙10–4 К–1)

Сегнетокерамика (αд=12∙10–6 К–1)

αС, К–1

αε, К–1

αС, К–1

αε, К–1

αС, К–1

αε, К–1

αС, К–1

αε, К–1

αС, К–1

αε, К–1

22

3,69E-04

3,66E-04

3,37E-04

3,23E-04

-1,12E-03

-1,13E-03

-3,00E-05

-1,40E-04

0,00E+00

-1,20E-05

30

3,68E-04

3,65E-04

3,34E-04

3,21E-04

-1,13E-03

-1,13E-03

-2,98E-05

-1,40E-04

9,42E-03

9,41E-03

45

3,67E-04

3,64E-04

3,36E-04

3,22E-04

-1,16E-03

-1,16E-03

-3,00E-05

-1,40E-04

1,48E-01

1,48E-01

64

3,65E-04

3,62E-04

3,34E-04

3,21E-04

-1,16E-03

-1,17E-03

-2,95E-05

-1,39E-04

5,19E-02

5,19E-02

75

3,66E-04

3,63E-04

3,36E-04

3,22E-04

-1,17E-03

-1,18E-03

-3,04E-05

-1,40E-04

-4,54E-02

-4,55E-02

90

3,66E-04

3,63E-04

3,35E-04

3,22E-04

-1,18E-03

-1,19E-03

-3,06E-05

-1,41E-04

1,11E-02

1,11E-02

4. Построим температурные зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости α_ε для всех исследованных материалов.

Виды поляризации определим, исходя из текста учебника и интернет-ресурсов:

Неорганическое стекло – ионно-релаксационная поляризация

Слюда – ионная поляризация

Тиконд – электронно-релаксационная поляризация

Полипропилен – электронная поляризация

Сегнетокерамика – спонтанная поляризация

Вывод: в данной ЛР исследуются температурные зависимости емкости, тангенса угла диэлектрических потерь и температурного коэффициента диэлектрической проницаемости линейных и нелинейных диэлектриков, рассчитываются все необходимые коэффициенты, строятся графики зависимостей, а также делается вывод о виде поляризации в рассмотренных диэлектриках.

Ответы на вопросы:

1. Дайте определения относительной диэлектрической проницаемости ε. Назовите основные виды поляризации диэлектриков.

Величину ε = E₀/E, где Е – напряжённость электрического поля, называют относительной диэлектрической проницаемостью. Она зависит от свойств диэлектрика и характеризует уменьшение силы взаимодействия электрических зарядов в диэлектрике по сравнению с вакуумом.

Поляризация представляет собой обратимое смещение электрически заряженных частиц, входящих в состав диэлектрика, при приложении к нему электрического поля.

Основные виды поляризации: электронная, ионная, дипольная и миграционная.

2. Каковы механизмы диэлектрических потерь? В каких диэлектриках и при каких условиях эксплуатации проявляется каждый из них?

Диэлектрические потери — это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

Виды диэлектрических потерь

1) Потери на электропроводность. Обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную.

2) Релаксационные потери. Обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации, и проявляются в области достаточно больших частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля. Релаксационные потери наблюдаются и у линейных диэлектриков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации. Потери, обусловленные миграционной поляризацией, имеются в материалах со случайными примесями или отдельными компонентами, намеренно введенными в диэлектрик для требуемого изменения его свойств. Случайными примесями в диэлектрике могут быть, в частности, полупроводящие вещества, например, восстановленные оксиды, образовавшиеся в диэлектрике или попавшие в него в процессе изготовления.

3) Ионизационные потери. Свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии.

4) Резонансные потери. Наблюдаются в некоторых газах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери возможны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества.

3. Дайте определение температурного коэффициента диэлектрической проницаемости. Какой из исследованных конденсаторных материалов обладает наилучшей температурной стабильностью?

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости

можно определить, воспользовавшись уравнением Клаузиуса–Моссотти. Дифференцируя по  , получаем

 . 

Разделив и умножив правую часть на   и воспользовавшись, после некоторых преобразований получим

 .

Если ввести коэффициент объемного расширения

 , 

 

Для газов эта величина порядка   , для жидких и твердых диэлектриков –   .

Знак минус соответствует уменьшению диэлектрической проницаемости с ростом температуры, что определяется уменьшением концентрации молекул. Однако здесь не учтено деполяризующее влияние теплового движения молекул, кроме того, реальная зависимость может оказаться значительно более сложной (см. рис.).

Качественная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры при электронной(   ), дипольно–релаксационной (   ), ионно–релаксационной(   ) поляризации от температуры в твердом, жидком и газообразном состояниях

Из рисунка видно, что только электронная поляризация дает монотонное убывание диэлектрической проницаемости с ростом температуры. Это объясняется тем, что поляризуемость частиц при электронной поляризации не зависит от температуры, а концентрация частиц уменьшается в связи с тепловым расширением диэлектрика, причем резкие снижения (прыжки) наблюдаются в точках агрегатных переходов.

4. Какие свойства диэлектрических материалов влияют на значение емкости конденсаторов?

Емкость конденсатора определяется теми же факторами, которые влияют на емкость одиночных проводников: площадь поверхности пластин, расстояние между пластинами, диэлектрическая проницаемость диэлектрика между пластинами.

5. Почему емкость конденсатора, изготовленного из слюды, с увеличением температуры возрастает, а у конденсатора из полипропилена емкость с повышением температуры уменьшается?

Слюда является полярным диэлектриком, полипропилен неполярным.

С ростом температуры увеличивается подвижность молекул, и поэтому растёт относительная диэлектрическая проницаемость полярного диэлектрика. У неполярного мы наблюдаем банальное тепловое расширение материала, то есть увеличивается расстояние между обкладками.

6. Чем объясняется наличие максимума в зависимости C = f(T) для сегнетоэлектрического конденсатора?

Сегнетоэлектрики обладают спонтанной поляризацией до определённой температуры, которая и выражена точкой максимума на графике зависимости. Каждый сегнетоэлектрик имеет свой температурный максимум (точку Кюри). До данной температуры сегнетоэлектрик постепенно теряет свои особенные свойства (высокая диэлектрическая проницаемость ε (порядка десятка тысяч), нелинейная зависимость поляризации и т.д.), после температуры Кюри сегнетоэлектрик становится обычным диэлектриком. За счёт повышения температуры возрастает кинетическая энергия колебаний ионов, а электростатическая связь между ними ослабевает. Внешнему полю легче оторвать ионы и изменить их положение, соответственно вырастут поляризация и диэлектрическая проницаемость. Также легирование сегнетоэлектриков позволяет проводить манипуляции с диэлектрической проницаемостью и температурой Кюри. Легирование – это введение примесей, а значит, и введение новых ионов, которые изменяют энергию связи ионов сегнетоэлектрика, изменяя тем самым температуру Кюри и диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектрика.

7. Где применяются материалы, исследованные в работе; каковы их электрические и физико-механические свойства?

Про все исследуемые материалы в общем можно сказать, что они применяются в различных отраслях электротехники и микроэлектроники, в зависимости от их свойств. Конденсаторы, микросхемы, изоляционные покрытия, всё это производится при помощи рассматриваемых материалов.

8. Какие из материалов, исследованных в работе, можно отнести к высокочастотным диэлектрикам?

К высокочастотным диэлектрикам относятся неполярные линейные полимеры с электронной поляризацией, а также некоторые слюды. То есть, из рассмотренных в работе материалов можно выделить полипропилен и слюду (мусковит).