Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) (МАИ)»


ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Методические указания к лабораторной работе по курсу «Материаловедение и материалы электронных средств»

Составитель: к.т.н., доц. Кузькин В.И.

Москва 2017

Аннотация
В указаниях даны методы измерения емкости и добротности и вычисления относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь образцов диэлектрических материалов. Методика основана на использовании контурных резонансных методов определения электрической ёмкости С и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.
Для студентов кафедры «Радиоэлектроника, телекоммуникации и нанотехнологии», обучающихся по дисциплине «Материаловедение и материалы электронных средств».

Листов - 24, рисунков - 10.

Содержание

Введение _____________________________________________4

1. Цель работы________________________________________ 4

2. Краткие теоретические сведения _______________________4

3. Описание лабораторной работы и порядок её выполнения_18

4. Задание___________________________________________ 22

5. Порядок выполнения работы _________________________23

6. Содержание отчета по работе_________________________ 23

7. Контрольные вопросы_______________________________ 23

8. Литература _____________________________________24

Введение.

Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая потери являются важнейшими характеристиками диэлектрических материалов при выборе их для различных деталей радиоэлектронных устройств. Эти характеристики изменяются под влиянием различных внешних факторов, например таких как температура и частота электромагнитного поля по-разному для диэлектриков, обладающих разными видами поляризации, что нельзя не учитывать при конструировании РЭС. Данная лабораторная работа знакомит студентов с экспериментальным методом определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь и позволяет исследовать зависимости этих характеристик от температуры для различных диэлектриков.

---

I. Цель работы.

1. Ознакомиться с методикой определения диэлектрической проницаемости ε и tgδэлектроизоляционных материалов.

2. Исследовать зависимость ε и tgδот температуры диэлектриков с различными видами поляризации.
II. Краткие теоретические сведения.

Важнейшим свойством диэлектриков является их способность поляризоваться под действием внешнего электрического поля. Процесс поляризации сводится к смещению (иногда к повороту) электрических зарядов на ограниченное расстояние (положительные заряды смещаются в направлении поля, отрицательные - против поля), что сопровождается образованием на поверхности или в объеме диэлектрика связанных электрических зарядов и возникновением наведенного электрического момента. По окончании действия сил электрического поля заряды возвращаются в исходное состояние, и наведенный момент исчезает. На способности электроизоляционных материалов поляризоваться, т.е. накапливать заряды, основано применение их в качестве рабочих диэлектриков конденсаторов. Способность диэлектриков к поляризации характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью или сокращенно диэлектрической проницаемостью ε. ε – отношение количества заряда Q, полученного при некотором напряжении на обкладках конденсатора, изготовленного из данного диэлектрика, к количеству зарядов Q_o, которое можно получить при том же напряжении и тех же размерах, если между электродами находится вакуум, т.е.

(1)

Так как Q = UC и Q_o = UC₀,

где: C – емкость конденсатора с данным диэлектриком;

C₀ – емкость вакуумного конденсатора;

U – напряжение на обкладках конденсатора,

(2)

Диэлектрическую проницаемость какого-либо вещества можно определить и как число, показывающее, во сколько раз увеличится емкость вакуумного конденсатора, если, не изменяя размеров и форм конденсатора, заполнить его веществом.

При заданных геометрических размерах и форме конденсатора его емкость прямо пропорциональная значению ε диэлектрика. Так емкость плоского конденсатора с толщиной диэлектрика hи площадью обкладок по Sс каждой стороны в системе СИ выражается формулой:

(3)

где: h–выражено в метрах;

S–в квадратных метрах;

ε₀

---

– электрическая постоянная в Ф/м.

Электрическая постоянная ε₀ характеризует электрическое поле в условиях отсутствия его взаимодействия с веществом; она равна отношению суммарного электрического заряда, заключенного внутри замкнутой поверхности в пустоте, к потоку вектора напряженности электрического поля сквозь эту поверхность:

[Ф/м] (4)

где с=2,998∙10⁸ м/с – фазовая скорость распространения электромагнитных волн в пустоте. Так как с весьма близка к 3∙10⁸ м/с

[Ф/м] (5)

Численно в единицах СИ ε_o = 8,854∙10^-12 Ф/м = 8,854 пФ/м.

Произведение ε_oε называется абсолютной диэлектрической проницаемостью диэлектрика, ее размерность Ф/м.

Величина относительной диэлектрической пронициаемости ε безразмерна, больше единицы и сохраняет свое значение независимо от выбранной системы единиц и формы записи уравнений.

Диэлектрическая проницаемость материала зависит от его структуры и состава, от частоты поля, температуры, влажности и других факторов. Для оценки зависимости ε диэлектриков от температуры указываются температурные коэффициенты диэлектрической проницаемости:

(6)

Для изготовления термостабильных конденсаторов применяются материалы с малым значением ТКε = (-50 – +30) 10^-5 1/град. Высокие значения ТКε у тикондов (-700 – - 1400) 10^-6 1/град используются для компенсирующих конденсаторов.

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры определяется преобладающим видом поляризации в диэлектрике и различна для диэлектриков с различными видами поляризации.

Вид поляризации диэлектриков определяется его составом и структурой. Различают много видов поляризации, основными из которых являются следующие:

1. Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра под действием сил электрического поля. При этом образуется «упругий» диполь (в отличие от «жесткого диполя», который существует в полярных диэлектриках до введения их в электрическое поле), и возникает дипольный наведенный момент, рис. 1. Время релаксации, т.е. время установления поляризации, чрезвычайно мало (порядка 10

---

^-15 - 10^-14 с), сравнимое с периодом световых колебаний. Поэтому электронную поляризацию относят к мгновенным видам поляризации, происходящим без диэлектрических потерь, так как электрическая энергия, которая требуется для поляризации, полностью возвращается источнику электрической энергии после снятия напряжения.

Электронная поляризация происходит во всех атомах или ионах, и таким образом, независимо от возможного наличия в диэлектрике других видов поляризации наблюдается во всех диэлектриках.



а) б)

Рис. 1. Схема электронной поляризации:

а). атомы в отсутствие электрического поля;

б). деформированные атомы при воздействии электрического поля.

В чистом виде без наложения на нее других видов поляризации, электронная поляризация наблюдается в неполярных (нейтральных) диэлектриках, т.е. в диэлектриках, состоящих из неполярных молекул. Неполярной является молекула, в которой центры тяжести всех положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Так, одноатомные молекулы (Не, Ne, Аr, Кr, Хe) и молекулы, состоящие из двух одинаковых атомов, соединенных друг с другом ковалентной связью (Н₂, С1₂и др.) неполярны, потому что электронное облако равномерно между атомами этих молекул. Связь углерода с другими атомами в большей или меньшей степени полярна, так как электронное облако смещается в сторону более электроотрицательного атома, т.е. заряды между атомами распределяются неравномерно, и возникает полярная ковалентная связь. Предельный случай ковалентной полярной связи – ионная связь (например, у NaCl). Полярность связи или молекулы характеризуется дипольным моментом, который равен произведению элементарного заряда qна расстояние между центрами тяжести всех положительных и всех отрицательных зарядов l: μ = ql. Например, дипольный момент связи С – Н равен 0,2 Дебая, у связи С – N - 0,4 Дебая, у связи С – О - 0,9 Дебая, у связи С – С1 - 1,83 Дебая, у связи С– F - 2,25 Дебая и т.д.

Дебай – единица электрического момента, равная 10^-18 СГСЭ единиц электрического момента. Обычно q – порядка 10^-18 СГСЭ единиц электрического заряда, l – порядка 10^-8 см, μ молекул полярных веществ порядка 10^-8 – 10^-18 СГСЭ единиц электрического момента. При переводе в систему СИ 1 дебай = 3,333∙10

---

^-30 Кл∙м.

Молекула органического вещества является неполярной в случае симметрического расположения атомов или группы атомов по отношению к атомам углерода, потому что в этом случае полярные моменты симметрично расположенных полярных связей компенсируются, и центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают с центром симметрии молекулы, и, следовательно, друг с другом, т.е. суммарный полярный момент симметрично построенной молекулы равен нулю. Например, связь С – F сильно полярна (пара электронов, образующая связь, ближе располагается к более электроотрицательному атому фтора), но молекула фторопласта–4, благодаря симметричному расположению атомов фтора относительно атомов углерода в целом нейтральна:



Диэлектрическая проницаемость наряду с выше перечисленными факторами зависит от агрегатного состояния вещества.

У газообразных диэлектриков (азот, воздух) из-за низкой плотности диэлектрическая проницаемость невелика, приблизительно равна 1.

У жидких и твердых нейтральных диэлектриков, обладающих только электронной поляризацией, диэлектрическая проницаемость тоже невелика, приблизительно 2 – 2,5. У неполярных диэлектриков на процесс электронной поляризации температура не влияет, и электронная поляризация атомов, ионов от температуры не зависит. Однако величина диэлектрической проницаемости при электронной поляризации вещества уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа поляризующихся частиц в единице объема, т.е. TKε < 0 (Рис 5а).

Из числа применяемых в электроизоляционной технике органических материалов практически неполярными являются полиэтилен, фторопласт–4, полипропилен, полиизобутилен, полистирол, парафин, церезин, невулканизированный каучук, эскапон, нефтяные электроизоляционные масла и др.

2. Дипольно-релаксационная поляризация заключается в ориентации, повороте дипольных молекул, дипольных групп цепи макромолекул под действием сил электрического поля. Этот вид поляризации наблюдается у полярных диэлектриков, т.е. диэлектриков, состоящих из полярных молекул. Полярными являются молекулы, в которых центры тяжести всех положительных и отрицательных зарядов не совпадают. В этом случае даже в отсутствие внешнего электрического поля молекула представляет электрический «жесткий» диполь с величиной электрического момента μ

---

Смотрите также файлы

• Расчет на прочность и жесткость при простейших видах деформации.docx

• Готовность детей с задержкой психического развития к обучению в школе.docx

• Урок 53 Таблицы сложения и вычитания с числом 3 числа от 1 до 10. Сложение и вычитание.doc

• Тема Поляризация.docx

• Анализ результатов всероссийской проверочной работы по химии в 11 классе мкоу сош11сБелые Копани за 2022 2023 учебный год.docx