ЛАбЫ_ЛЭТИ / 5 / laba_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 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ»

Студенты гр. 3291		Чупаков В.В. Олихнович А. Уханов Е.А.
Преподаватель		Пермяков Н.В.

Санкт-Петербург

2024

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 С_д – 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:

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 tgδ. 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.

Емкость плоского конденсатора определяется выражением:

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

В случае квадратных электродов S = l², где l – 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 α_C отражает изменение емкости, обусловленное изменением температуры, и, следовательно, характеризует температурную стабильность емкости конденсатора. Общее определение этого параметра соответствует выражению:

Дифференцируя (5.3) по переменной Т, где Т – температура; S = l² – площадь электрода, получим:

Разделив левую и правую части (5.5) на левую и правую части (5.3), придем к выражению:

где α_ε, α_lм и α_lд – температурные коэффициенты относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика, линейного расширения металла 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 αlм = αlд, а температурный коэффициент емкости определится выражением:

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

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 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 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 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 цифровому прибору, предназначенному для измерения емкости и tg δ (измеритель иммитанса).

Обработка результатов

По экспериментальным данным построим температурные зависимости емкости исследованных образцов С(t)

Рис.1.

Рис.2.

Рис.3.

Рис.4.

Рис.5.

По экспериментальным данным построить температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tg δ исследованных образцов

Рис.6.

Рис.7.

Рис.8.

Рис.9.

Рис.10.

Рассчитать значения температурного коэффициента емкости α_С и температурного коэффициента диэлектрической проницаемости α_ε для исследованных образцов, пользуясь (5.4) и (5.6)

Расчет проводится по формулам:

Для расчета α_с нужно вычислить производную dС/dT. Она рассчитана в MS Excel с помощью функции ЛИНЕЙН() (аппроксимация исходных данных линейной зависимостью y = k*x+b, производная dС/dT при данной температуре равна коэффициенту k).

Таблица 1XИспытательная температура Т, K

Испытуемые образцы

Испытуемые образцы

1

2

3

4

5

Неорганическое стекло

Слюда

Тиконд

Полипропилен

Сегнето-керамика

αс, 1/К

αε, 1/К

αс, 1/К

αε, 1/К

αс, 1/К

αε, 1/К

αс, 1/К

αε, 1/К

αс, 1/К

αε, 1/К

289

5,27E-05

4,97E-05

5,44E-05

4,09E-05

-6,88E-04

-6,96E-04

-2,80E-04

-3,90E-04

0,13931

1,39E-01

303

5,29E-05

4,99E-05

5,44E-05

4,09E-05

-6,91E-04

-6,99E-04

-2,80E-04

-3,90E-04

0,09096

9,09E-02

313

5,27E-05

4,97E-05

5,43E-05

4,08E-05

-6,97E-04

-7,05E-04

-2,81E-04

-3,91E-04

0,07525

7,52E-02

321

5,28E-05

4,98E-05

5,43E-05

4,08E-05

-7,04E-04

-7,12E-04

-2,82E-04

-3,92E-04

0,06697

6,70E-02

329

5,27E-05

4,97E-05

5,43E-05

4,08E-05

-7,06E-04

-7,14E-04

-2,83E-04

-3,93E-04

0,05612

5,61E-02

337

5,27E-05

4,97E-05

5,43E-05

4,08E-05

-7,10E-04

-7,18E-04

-2,82E-04

-3,92E-04

0,00736

7,35E-03

343

5,29E-05

4,99E-05

5,43E-05

4,08E-05

-7,12E-04

-7,20E-04

-2,84E-04

-3,94E-04

0,00591

5,89E-03

349

5,26E-05

4,96E-05

5,42E-05

4,07E-05

-7,16E-04

-7,24E-04

-2,85E-04

-3,95E-04

0,01223

1,22E-02

357

5,26E-05

4,96E-05

5,42E-05

4,07E-05

-7,20E-04

-7,28E-04

-2,85E-04

-3,95E-04

0,02714

2,71E-02

365

5,25E-05

4,95E-05

5,42E-05

4,07E-05

-7,24E-04

-7,32E-04

-2,86E-04

-3,96E-04

0,03947

3,95E-02

По данным табл. 1 построить температурные зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости α_ε для всех исследованных материалов

Рис.11.

Рис.12.

Рис.13.

Рис.14.

Рис.13.

Вывод: У слюдяного конденсатора и у конденсатора с диэлектриком из органического стекла ёмкость с увеличением температуры растёт. У конденсатора с полипропиленовым диэлектриком и с диэлектриком из тиконда ёмкость уменьшается с ростом температуры. У сегнетокерамики, ёмкость конденсатора растёт до некоторой температуры (≈334 К), далее уменьшается т.к. уменьшается диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика.

5