ЛР5 / 9492_Скотаренко_ЭТ материаловедение_ЛР5
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра МНЭ
ОТЧЕТ по лабораторной работе №5
по дисциплине «Электротехническое материаловедение»
Тема: «Исследование свойств диэлектрических конденсаторных материалов»
Студент гр. 9492 |
|
Скотаренко Д.Д. |
|
Преподаватель |
|
|
Кучерова О.В. |
Санкт-Петербург
2021
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 |
8 Ом∙м, в которых при приложении электрического поля возникает |
эффект10поляризации. |
|
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 |
||||
|
|
|
Д |
|
|
способность различных диэлектриков поляризоваться в электрическом поле: |
|||||
где |
Д |
– емкость конденсатора с |
диэлектриком; |
0 |
– емкость того же |
|
|
= 0 |
|
|
конденсатора в вакууме.
Вобщем случае диэлектрическая проницаемость зависит от температуры
ичастоты 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
2
механизмами поляризации, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля.
Полные потери в участке изоляции с емкостью C при воздействии напряжения U с угловой частотойа =ω: 2 ( )
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 tg δ. 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 C 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= 0 выражением
, (5.1)
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
0 = 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 |
|
|
отражает изменение емкости, |
|||||||||||||||
обусловленное изменением температуры, и, |
следовательно, характеризует |
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
температурную стабильность емкости конденсатора. Общее определение |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 . (5.2) |
|
|||
этого параметра соответствует выражению: |
|
|
|
|||||||||||||||
Из этого выражения |
|
2 |
|
= |
|
|
|
|||||||||||
|
|
, |
1 |
= |
1 |
|
+ |
|
− |
1 |
или = + 2 м − д |
|||||||
|
|
|
и |
|
– |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
следует: |
|
|
|
, линейного расширения металла |
||||
диэлектрической проницаемости |
диэлектрика |
|||||||||||||||||
где |
|
|
м |
|
д |
|
|
температурные коэффициенты относительной |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
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 определятьсялинейнымм д расширением диэлектрика, а не металла. И тогда можно считать = , а температурный коэффициент емкости определится выражением
3
Характер температурной = + д |
|
. (5.4) |
|
зависимости емкости конденсатора |
|
определяется механизмами поляризации рабочего диэлектрика, а параметр |
|
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 αε.
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 tgδ, 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…С5, 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 tgδ (измеритель иммитанса).
4
Протокол измерений.
Таблица 1. Исследование свойств конденсаторных материалов.
t, |
Неорганическое |
Слюда |
|
Тиконд |
|
полипропилен |
сегнетокерамика |
|||
°C |
стекло |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C1, пФ |
tgδ |
C2, |
tgδ |
C3, |
tgδ |
C4, |
tgδ |
C5, нФ |
tgδ |
|
|
|
пФ |
|
пФ |
|
нФ |
|
|
|
28 |
1581,4 |
0,0144 |
1301,3 |
0,0143 |
1411,7 |
0,0121 |
2,303 |
0,0512 |
5,015 |
0,1236 |
32 |
1583,8 |
0,0141 |
1301,2 |
0,0168 |
1453,0 |
0,0126 |
2,360 |
0,0589 |
5,122 |
0,0903 |
36 |
1616,4 |
0,0143 |
1320,2 |
0,0143 |
1424,4 |
0,0146 |
2,346 |
0,0549 |
5,756 |
0,0982 |
40 |
1634,9 |
0,0096 |
1306,8 |
0,0142 |
1403,6 |
0,0122 |
2,274 |
0,0523 |
21,475 |
0,2284 |
44 |
1616,8 |
0,0144 |
1321,7 |
0,0167 |
1415,6 |
0,0149 |
2,337 |
0,0548 |
31,505 |
0,227 |
50 |
1615,4 |
0,0146 |
1321,6 |
0,0166 |
1417,9 |
0,0148 |
2,344 |
0,0546 |
16,485 |
0,121 |
60 |
1618,5 |
0,0147 |
1324,7 |
0,0168 |
1396,9 |
0,0150 |
2,333 |
0,0545 |
6,532 |
0,09 |
64 |
1622,3 |
0,0145 |
1327,2 |
0,0170 |
1391,3 |
0,0150 |
2,327 |
0,0547 |
5,889 |
0,086 |
66 |
1623,2 |
0,0145 |
1327,9 |
0,0170 |
1386,3 |
0,0153 |
2,323 |
0,0546 |
5,117 |
0,083 |
70 |
1623,5 |
0,0147 |
1328,2 |
0,0172 |
1382,5 |
0,0151 |
2,320 |
0,0546 |
4,558 |
0,0555 |
72 |
1624,5 |
0,0146 |
1328,8 |
0,0169 |
1379,7 |
0,0150 |
2,317 |
0,0545 |
4,107 |
0,0548 |
76 |
1624,8 |
0,0144 |
1329,8 |
0,0172 |
1375,4 |
0,0151 |
2,313 |
0,0545 |
3,577 |
0,0532 |
80 |
1626,7 |
0,0144 |
1330,6 |
0,0169 |
1370,6 |
0,0151 |
2,308 |
0,0545 |
3,116 |
0,0806 |
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
5
Обработка результатов.
1) Графики температурных зависимостей ёмкости и тангенса угла диэлектрических потерь:
1
2
3
Рисунок 1. Температурная зависимость для ёмкостей неорганического стекла, слюды и тиконда.
6
1
2
3
Рисунок 2. Температурная зависимость для тангенсов угла диэлектрических потерь неорганического стекла, слюды и тиконда.
7
4
Рисунок 3. Температурная зависимость для ёмкости полипропилена.
8
4
Рисунок 4. Температурная зависимость для тангенса угла диэлектрических потерь полипропилена.
9
5
Рисунок 5. Температурная зависимость для ёмкости сегнетокерамики.
10