Лабораторная работа №3

Исследование диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь в твердых диэлектриках.

Цель работы: Определить зависимость диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь в твердых диэлектриках от температуры.

Требуемое оборудование: 1. Измеритель электропроводности ЛСМ1 – 1 шт.

2. Измерительные кассеты– 3 шт.

Теория

Исследуемые образцы

Методика проведения эксперимента

Порядок выполнения работы

Контрольные вопросы

Литература

Теория.

Характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация – ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

Поляризацией называется состояние диэлектрика, характеризующееся наличием электрического момента у любого элемента его объема.

Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля (наведенную или индуцированную), и спонтанную (самопроизвольную), существующую в отсутствии поля.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектриков, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также по величине диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассеянием энергии.

Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется диэлектрической проницаемостью e:

, (1)

где С_Д– емкость конденсатора с данным диэлектриком, С₀ – емкость того же конденсатора, если бы между электродами находился вакуум.

Величина относительной диэлектрической проницаемости является безразмерной величиной.

Количественной характеристикой поляризации является поляризованность диэлектрика P. Поляризованностью называют векторную физическую величину, равную отношению электрического момента dp элемента диэлектрика к объему dV этого элемента

(2)

Рассматривая явления поляризации с учетом агрегатного состояния и структуры диэлектрика, следует различать следующие механизмы поляризации: электронный, ионный, дипольно – релаксационный, электронно – релаксационный, ионно – релаксационный, резонансный , миграционный и спонтанный.

К мгновенным видам поляризации относятся механизмы, протекающая в диэлектрике под воздействием электрического поля практически мгновенно, вполне упруго, без рассеяния энергии. К этому виду относятся электронная и ионная поляризации. Время установления этих механизмов ничтожно мало (~ 10^-13 - 10^-15 с).

К замедленным механизмам относятся те, когда поляризация нарастает и убывает замедленно, и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т. е. нагревом. Поляризация такого вида называется релаксационной. К этому виду относятся дипольно - релаксационная, ионно - релаксационная и электронно - релаксационная, а также миграционная поляризация, возникающая в твердых диэлектриках неоднородной структуры.

В зависимости от влияния напряженности внешнего электрического поля на величину диэлектрической проницаемости материала все диэлектрики делятся на линейные (рис.1а) и нелинейные (рис.1б).

[POL6A]

а)

[POL7A]

б)

Рис.1. Зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля для линейных (1а) и нелинейных (1б) диэлектриков.

Линейные диэлектрики относят к пассивным диэлектрикам, применяемым в основном в качестве различных видов электрической изоляции или диэлектрика конденсаторов.

Нелинейные диэлектрики относят к активным диэлектрикам, параметры которых зависят от величины приложенной разности потенциалов. Емкостью конденсатора с нелинейным диэлектриком можно управлять электрическим полем.

В диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, происходит некоторое выделение энергии. Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Если бы в диэлектрике конденсатора мощность совсем не рассеивалась («идеальный диэлектрик»), то вектор тока I опережал бы вектор напряжения U точно на 90⁰, а ток был бы чисто реактивным I_С. Но в реальном диэлектрике наряду с реактивным током имеет место ток активный (ток потерь). Таким образом, полный ток, складывающийся из двух токов (активного и реактивного), опережает напряжение на угол j, несколько меньший 90⁰, т.е. величина угла j связана с величиной активного тока (тока потерь). Чем больше Ia, тем сильнее угол j отклоняется от 90⁰. Но в качестве характеристики потерь взят не сам угол j, а угол δ, дополняющий угол j до 90⁰ , т.е. δ = 90 – j.

Угол δ называют углом диэлектрических потерь. Чем больше этот угол, тем больше (при прочих равных условиях) диэлектрические потери.

Обычно в качестве параметра материала дают величину тангенса угла потерь. Очевидно, что тангенс угла потерь равен отношению активного и реактивного токов:

(3)

Легко получить выражение для величины диэлектрических потерь Р в участке изоляции, обладающем емкостью С. Очевидно, что

. (4)

С учетом того, что значение силы тока через участок изоляции с емкостью С равно:

где – угловая частота, получим:

(5)

Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе делятся на четыре основных вида.

1. Потери на электропроводность.

2. Релаксационные потери.

3. Ионизационные потери.

4. Резонансные потери.

Диэлектрики, построенные из неполярных молекул (полиэтилен, полистирол) и обладающие только электронной поляризацией, имеют наименьшее значение диэлектрической проницаемости. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков определяется изменением числа молекул в единице объема. В диэлектриках, обладающих электронной поляризацией, диэлектрические потери невелики и обусловлены, как правило, только сквозной электропроводностью и наличием примесей.

Величина тангенса угла диэлектрических потерь может быть вычислена по следующей формуле

(6)

где f – частота приложенного напряжения, Гц; r – удельное сопротивление диэлектрика.

Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, возрастают с температурой по экспоненциальному закону вида

(7)

где А, b – const.

Диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают ионной и электронной поляризацией и имеют величину диэлектрической проницаемости, лежащую в широких пределах. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных кристаллов в большинстве случаев имеет положительное значение, вследствие того что при повышении температуры наблюдается не только уменьшение плотности вещества, но и возрастание поляризуемости кристаллической решетки, причем влияние этого фактора сказывается на величине температурного коэффициента сильнее, чем изменение плотности

В кристаллических структурах с плотной упаковкой ионов (слюда, кварц) при отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах появляются потери от электропроводности. В диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов (электротехнический фарфор) наблюдаются также потери, связанные с релаксационной поляризацией.

У диэлектриков с дипольными молекулами (поливинилхлорид, полиамиды, материалы на основе целлюлозы) зависимость от температуры проявляется значительно резче и характеризуется наличием максимума. В низкотемпературной области ориентация молекул в большинстве случаев невозможна из-за значительной вязкости. При повышении температуры ориентация диполей облегчается, что приводит к возрастанию диэлектрической проницаемости.

Исследуемые образцы

В данной работе для исследования используются образцы гетинакса, текстолита и стеклотекстолита, относящиеся к слоистым пластикам.

Слоистые пластики - это разновидность пластмасс, где связующим веществом служит полимер, а наполнителем – листовые волокнистые материалы. Наиболее широкое применение получили: стеклотекстолит, гетинакс и текстолит.

Гетинакс – листовой слоистый прессованный материал, состоящий из двух или более слоев бумаги, пропитанной термореактивной смолой. Электротехнический гетинакс выпускают восьми марок. В зависимости от марки в качестве связующего вещества применяют фенолформальдегидные смолы или эпоксидную смолу типа ЭД - 16. Гетинакс является анизотропным материалом, поэтому электрическая прочность гетинакса вдоль слоев в 5 - 8 раз ниже, чем поперек, а удельное сопротивление ниже в 50 - 100 раз. Гетинакс легко обрабатывается механически, а тонколистовые сорта хорошо штампуются, особенно в подогретом состоянии. Из гетинакса изготовляют детали радиотехнического и электротехнического назначения. Гетинакс используется для изготовления наиболее дешевых печатных плат.

Стеклотекстолит – слоистый прессованный материал, состоящий из двух или более слоев стеклоткани, пропитанной различными термореактивными связующими. Производят следующие марки: СТ - Б, СТ -1 на основе фенолоформальдегидной смолы; СТЭФ - 1 и СТЭФ - Р на эпоксидно - феноловом связующем; СТК - на кремнийорганическом связующем. Стеклотекстолит обладает повышенной влагостойкостью и лучшими электрическими и механическими параметрами по сравнению с текстолитом и гетинаксом, но хуже обрабатывается механически. Из стеклотекстолита изготовляют платы печатных схем, антенные обтекатели и другие радиодетали.

Текстолит – слоистый пластик, в котором в качестве наполнителя используют хлопчатобумажную ткань, пропитанную термореактивной смолой фенолформальдегидного типа. Выпускают четырех марок: А, Б, Г – на основе сравнительно грубых тканей – бязи и миткаля, и ВЧ (для высоких частот) – на основе шифона.

Дороже гетинакса, так как стоимость ткани значительно дороже стоимости бумаги. Листовой текстолит применяют как конструкционно-изоляционный материал для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам или работающих на истирание (детали переключателей).

Методика проведения эксперимента

В настоящей работе используется измеритель индуктивности и емкости ЛСМ1 (рис. 2). С его помощью можно определить емкость конденсатора, индуктивность катушек, а также тангенс угла потерь.

Для включения прибора необходимо нажать кнопку «Сеть», при этом на передней панели загорится ряд индикаторов «Шкала», «Температура», «Канал», «С» и т.д.

Исследуемые образцы находятся в измерительной кассете ИК1. Для ее установки в прибор необходимо поднять шторку, установить кассету с образцами в термокамеру прибора до упора. При этом шторка должна опуститься.

Рис.2. Измеритель индуктивности и емкости ЛСМ1.

Затем установите требуемый режим измерения (емкость C или тангенс угла потерь tg d). Выберите требуемый диапазон измерений.

Установите требуемое значение температуры термокамеры. При первом нажатии кнопки на индикаторе «Температура» высветится установленное значение температуры. При повторном нажатии кнопки произойдет коррекция устанавливаемой температуры. Через 2 с после завершения установки индикатор «Температура» перейдет в режим отображения текущей температуры. Для отключения терморегулятора необходимо установить температуру менее 30⁰ С. При этом на экране высветится сообщение «OFF».

Сообщения, выдаваемые прибором

При работе прибора на индикаторе могут отображаться следующие сообщения:

· L – измеряемая величина C ниже выбранного диапазона;

· H – измеряемая величина C выше выбранного диапазона;

· P – измеряемое значение тангенса потерь C выше выбранного диапазона;

· A – при измерении активная составляющая больше реактивной (tgδ>1).

Зная величину емкости конденсатора, его геометрическую форму и размеры, можно вычислить величину диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора.

(8)

где h – толщина образца S – площадь верхнего электрода; e₀= 8,85 10^-12 Ф/м.

Размеры образцов: Стеклотекстолит СТ – 4 - h = 4 мм, S = 60 х 60 мм; Текстолит – h = 2 мм; S = 60 х 60 мм; Гетинакс - h = 2 мм; S = 60 х 60 мм.

Порядок выполнения работы

1. Установите картридж с образцом в прибор. При комнатной температуре измерьте С и tgδ диэлектрика на фиксированной частоте при комнатной температуре. Для этого установите требуемый канал для измерения. И выберите диапазон измерения С и tgδ. По полученным результатам измерения рассчитать значение e.

2. Провести измерение температурной зависимости e = f(T). Для этого установите требуемое значение температуры термокамеры. Измерения С и tgδ производите по следующему температурному ряду: комнатная, 40, 60, 80, 100⁰C. Рекомендуется соблюдать интервал между измерениями 10 мин для стабилизации показаний прибора при чанинагреве образца. По полученным значениям рассчитать e. По окони измерений отключите терморегулятор. Для этого необходимо установить температуру менее 30⁰ С. При этом на экране высветится сообщение «OFF». Осторожно выньте образец из термокамеры.

3. Постройте график зависимости e = f(T). Для тангенса угла диэлектрических потерь tgδ построить зависимость ln(tgδ) = f(1/T). Выполнив линейную аппроксимацию экспериментальных точек, по тангенсу угла наклона определить эффективную энергию активации носителей заряда по формуле: