Файл: Учебнометодическое пособие по лабораторным работам для студентов направления 11. 03. 04 Электроника и наноэлектроника.docx

Относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика показыва­ет, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если вместо вакуу­ма между электродами поместить данный диэлектрик.

Относительная диэлектрическая проницаемость твердых диэлектриков с электронной поляризацией (нейтральные диэлектрики) ε = 1,9 ... 3 и обуслов­лена малым смещением электрических зарядов. Так как электронная поля­ризация мгновенна, то диэлектрическая проницаемость не зависит от часто­ты приложенного поля даже до СВЧ.

С увеличением температуры уменьшается плотность материала, сле­довательно, уменьшается количество зарядов в единице объема, прини­мающих участие в поляризации, что приводит к уменьшению ε.

У диэлектриков с ионной поляризацией диэлектрическая проницаемость ε = 3 … 20. Большее значение ε объясняется наличием как ионной, так и элек­тронной поляризацией, а также большим смещением электрических заря­дов (ионов). У этих диэлектриков ε также не зависит от частоты поля до СВЧ, так как поляризация мгновенна.

У диэлектриков ионной структуры с увеличением температуры умень­шается плотность вещества, что приводит к уменьшению ε, но в то же время с увеличением температуры увеличивается подвижность ионов, что приво­дит к увеличению ε. Характер зависимости ε = f(t) определяется тем, какой фактор действует сильнее. У большинства диэлектриков с ионной поляри­зацией с ростом температуры ε возрастает.

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков с дипольной поляризацией (полярные диэлектрики) ε = 4 … 6 до 80. Так как этот вид поляризации носит замедленный характер, то е в значительной степени зависит от частоты при­ложенного поля и температуры. В быстропеременных полях диполи не успе­вают ориентироваться по отношению к электрическому полю, уменьшается амплитуда их ориентационного движения и снижается диэлектрическая про­ницаемость. При низкой температуре, когда подвижность молекул и их от­дельных частей мала, а силы молекулярного взаимодействия велики, дипо­ли слабо ориентируются под действием электрического поля и диэлектри­ческая проницаемость диэлектрика уменьшается. С ростом температуры увеличивается подвижность частиц, уменьшается энергия взаимодействия между ними и облегчается их ориентация, ε растет до некоторой температу­ры. При дальнейшем нагреве кинетическая энергия теплового движения ча­стиц настолько возрастает, что разрушает ориентацию, следовательно, ε начинает уменьшаться.

Для всех видов поляризаций с потерями общий вид изменения ε от темпера­туры и частоты имеет такой же характер, как и для дипольной поляризации.

---

Существенное влияние на величину ε оказывает увлажнение диэлектри­ков. Так как вода имеет ε = 80, то увлажнение подавляющего большинства диэлектриков ведет к повышению ε.

2.3. Диэлектрические потери

Механизм поглощения энергии и величина мощности диэлектрических потерь зависят от характера электрического поля и свойств материала. В основном электрическая энергия рассеивается вследствие электропровод­ности диэлектриков и релаксационных потерь, возникающих в процессе поляризации диэлектриков.

В постоянном электрическом поле потери обусловлены током проводи­мости:

P = U∙I_np ,

где U - постоянное напряжение, приложенное к диэлектрику; I_пр - ток про­водимости, протекающий по диэлектрику.

Так как ток проводимости в применяемых диэлектриках мал, то и вели­чина рассеиваемой мощности на постоянном токе мала.

Для расчета мощности потерь в переменных полях можно заменить ре­альный конденсатор с потерями последовательной или параллельной экви­валентной схемой, состоящей из идеальных емкости и сопротивления.

На рис.1 представлена последовательная схема замещения диэлектри­ка с потерями и ее векторная диаграмма. Для последовательного соедине­ния параметров r и С_r активная мощность





а)



б)

Рисунок 1.- Последовательная схема замещения диэлектрика с потерями (а) и ее векторная диаграмма (б)
Для применяемых диэлектриков угол δ мал, поэтому tgδ « 1. Тогда

P_a=U²ωC_rtgδ,

где

t или tgδ = rωC_r .

Из формулы (3) видно, что мощность потерь при данном напряжении и частоте зависит от угла диэлектрических потерь δ.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол φ сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. На практике чаще используется не δ, а его функция tgδ или добротность.

Потери в твердых диэлектриках из-за разнообразия состава и строения вещества имеют сложный характер, т.е. в них возможны все виды диэлект­рических потерь.

Твердые диэлектрики можно подразделить на 4 группы: молекулярной, ионной, неоднородной структур и сегнетоэлектрики.

---

Ряд чистых диэлектриков молекулярной структуры с неполярными мо­лекулами (сера, парафин, полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол и другие) имеет малые значения tgδ и в широком диапазоне частот tgδ ≤ 0,001. Эти диэлектрики могут быть использованы на высоких частотах.

Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами на ос­нове целлюлозы (бумага, картон и пр.), полярные полимеры (полиметилметакрилат), полиамиды (капрон и др.), каучуковые материалы (эбонит), фенолформальдегидные смолы (бакелит и др.) и ряд других материалов обла­дают большими потерями, особенно на радиочастотах, из-за дипольно-релаксационной поляризации. Значения tgδ этих материалов сложным образом зависят от температуры. При некоторой температуре обнаруживается максимум и минимум потерь, объясняемые увеличением потерь от элект­ропроводности.

В чистых диэлектриках (без примесей) ионной структуры с плотной упа­ковкой ионов (кристаллические неорганические соединения - корунд, камен­ная соль и др.) диэлектрические потери весьма малы. С ростом температуры tgδ растет из-за увеличения потерь на электропроводность. С увеличением примесей tgδ значительно возрастает.

Диэлектрики кристаллической структуры с неплотной упаковкой ионов (муллит, входящий в состав изоляторного фарфора, и др.) из-за релаксаци­онной поляризации имеют повышенные диэлектрические потери.

Диэлектрические потери в аморфных веществах ионной структуры (не­органические стекла) связаны с поляризацией и электропроводностью, вве­дение в состав стекла щелочных окислов (Na₂0, К₂0) при отсутствии окис­лов тяжелых металлов (РЬ₂О_э, ВаО) вызывает значительное повышение диэ­лектрических потерь.

Диэлектрические потери сегнетоэлектриков выше, чем обычных диэлек­триков, они характеризуются самопроизвольной поляризацией, которая имеет резко выраженную зависимость от температуры.

При температурах выше точки Кюри сегнетоэлектрические свойства те­ряются, а самопроизвольная поляризация исчезает. Потери резко падают после точки Кюри.

Диэлектрические потери в твердых материалах неоднородной структуры (керамика) зависят от характера и количественного соотношения кристал­лической и стекловидной фаз. Потери в керамике могут оказаться повышен­ными, если в изделии образуются полупроводящие включения с электрон­ной электропроводностью (из-за адсорбированной влаги при наличии от­крытой пористости).

3. Программа работы

3.1. Изучить принцип действия измерителя RLC типа E7-22 и методику измерения им емкости и тангенса диэлектрических потерь.

---

3. Определить ε и tgδ твердых электроизоляционных материалов при комнатной температуре.

3. В интервале температур от комнатной до 100°С снять зависимости tgδ и ε от температуры твердых электроизоляционных материалов.

3.4. Построить графики зависимостей tgδ и ε от температуры и сде­лать письменно выводы.

4. Методика измерения tg δ и ε

Описание лабораторной установки

Относительная диэлектрическая проницаемость определяется измерением емкости конденсатора С_х, в котором применяется испытуемый диэлектрик. По известной емкости С_х определяется диэлектрическая проницаемость, для чего необходимо знать геометрические размеры конденсатора.

На частотах f=50 Гц tgδ и ε определяются на плоских (круг или квадрат) трубчатых и фасонных образцах. Плоские и трубчатые образцы имеют те же размеры, что и при определении р _v и р_s .

На средних частотах (1000 Гц и выше) диэлектрическая проницаемость и угол потерь диэлектрика определяется цифровым измерителем Е7-2



Рисунок 3- Передняя панель прибораЕ7-22
На рис. 3 показаны органы управления и индикации передней панели.

1. Кнопка включения питания

2. Кнопка выбора частоты тест сигнала или ввода цифры «0» или знака «-».

3. Кнопка выбора схемы замещения или ввода заданных значений

4. Кнопка ручного выбора пределов измерения или ввода цифры «1»

5. Кнопка выбора режимов измерения основных параметров (R,L,C) или ввода цифры «2»

6. Кнопка выбора режимов измерения вспомогательных параметров (Q,D,R) или ввода цифры «3»

7. Кнопка фиксации измеренного значения, ввода цифры «4» или включения подсветки индикатора

8. Кнопка выбора режима фиксации экстремальных или средних значений или ввода цифры «5»

9. Кнопка установки программных режимов измерителя RLC или ввода цифры «6»

10. Кнопка включения режима относительных Д-измереиий или ввода цифры «7»

11. Кнопка установки верхнего и нижнего допускового предела или ввода цифры «8»

12. Кнопка включения режима контроля относительных отклонений или ввода цифры 9

13. «-» входные контакты измерителя

14. «+» входные контакты измерителя

Назначение органов управления

Основной индикатор измерения параметров ЖК-дисплея - предназначен для отображения результата измерения R, L и С.

Вспомогательный индикатор измерения параметров ЖК-дисплея - предназначен для отображения результата измерения вспомогательных значений тангенсу угла потерь, добротности и сопротивления.

---

« » - кнопка включения и выключения питания. При включении питания измеритель включится, на индикаторе появится символ «АРО», свидетельствующий об активации функции автоматического выключения питания. В режиме бездействия питание будет выключено примерно через 10 минут. Для возвращения в рабочий режим нажмите кратковременно кнопку« », измеритель RLC вернется в состояние предшествующее выключению питания. Функции автоматического выключения питания дезактивируется при работе от сетевого адаптера или включении режима фиксации экстремальных значений. Для принудительного отключения функции автоматического выключения питания, при включении питания нажмите и удерживайте кнопку « » до появления надписи «АРО OFF». После чего отпустите ее, при работе с измерителем на ЖКИ не будет надписи «АРО». Функции автоматического выключения питания будет активирована автоматически при последующем включении питания.

«Frequency» - кнопка выбора частоты тест сигнала. При каждом нажатии на кнопку частота тест сигнала изменяется в последовательности

1 кГц → 120 Гц→ 1 кГц

Примечание: при включении питания будет установлена частота тест сигнала, предшествующая выключению питания

«ПАР/ПОСЛ (РАL/SER)» -кнопка выбора схемы замещения (PAL- параллельная, SER-последовательная). При каждом нажатии на кнопку тип схемы замещения изменяется в последовательности

SER > PAL> SER

Примечание: при включении питания будет установлен тип схемы замещения, предшествующий выключению питания.

«ДИАП» - кнопка ручного выбора или фиксации пределов измерения, на индикаторе погаснет символ «АиТО».Выбор пределов измерения осуществляется при кратковременном нажатии на кнопку «ДИАП». Выключение режима ручного выбора пределов измерения осуществляется при:

• повторном нажатии и удержании кнопки «ДИАП», более 2-х секунд

• переключение режима измерения,

• выключение питания

Примечание: предел измерения будет зафиксирован при включении режима фиксации экстремальных значений, контроля верхнего и нижнего допускового предела и относительных измерений.

«L/

---