Часть 1 Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла
advertisement
Министерство путей сообщения РФ Департамент кадров и учебных заведений САМАРСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Кафедра теоретических основ электротехники, автоматики и электроники М Е Т О Д И Ч Е С К И Е У К А З А Н И Я к выполнению лабораторных работ по дисциплине "МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ" Часть 1 Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков для студентов специальности 210700 «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» Составитель: Л.А. Варжицкий Самара 2002 УДК 621.315 Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение». Часть 1. – Самара: СамИИТ, 2002. – 34 с. Утверждено на заседании кафедры ТОЭАиЭ 18 февраля 2002 г., протокол № 6. Печатается по решению редакционно-издательского совета института. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение» (часть 1) предназначены для студентов специальности «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» дневной и заочной форм обучения. Указания включают теоретический раздел, описание лабораторного оборудования и другие сведения, необходимые для выполнения лабораторной работы №1 «Исследование диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твёрдых диэлектриков». Составитель: Леонид Артурович Варжицкий Рецензенты: Валерий Борисович Гуменников, к.т.н., доцент, СамИИТ Лев Иванович Калакутский, д.т.н., профессор, СГАУ Редактор Егорова И.М. Подписано в печать 19.03.2002 Тираж 200 Заказ №28 Самарский институт инженеров железнодорожного транспорта УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ С - электрическая ёмкость конденсатора (образца диэлектрика), Ф; Е0 - напряжённость электрического поля в вакууме, В/м; Е - напряжённость электрического поля в диэлектрике, В/м; ΔЕ - ширина запрещенной зоны, эВ; е =1,6·10 -19 Кл – элементарный заряд; h = 6,625·10 -34 Дж·с – постоянная Планка; I - ток, А; Кп – коэффициент диэлектрических потерь; k = 1,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; l - орбитальное квантовое число; ms - спиновое квантовое число; n - главное квантовое число; P - поляризованность, Кл/м2; PQx – модуль дипольного момента молекулы, Кл·м; p – удельная активная мощность потерь, Вт/м3 ; R - активное сопротивление, Ом; 1s – символ подоболочки при n = 0, l = 1; T – термодинамическая температура, К; t0 – температура окружающей среды, ˚С; t – температура в рабочей камере термостата, ˚С; V - объём образца диэлектрика, м3; U – напряжение, В; γ – удельная проводимость, (Ом·м) 1; δ - угол диэлектрических потерь, рад; ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала; ε0 = 8,85·10-12 Ф/м– электрическая постоянная; ω – угловая частота синусоидального тока или напряжения, рад/с. 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Номенклатура современных материалов, применяемых в электротехнических и электронных изделиях, постоянно расширяется, однако её состав является относительно устойчивым и может быть представлен следующими классами: • проводящие материалы; • диэлектрики и электроизоляционные материалы; • магнитные материалы; • полупроводниковые материалы. В основе этой классификации лежат характерные для каждой из этих групп свойства материала, проявляющиеся при его взаимодействии с внешними полями – электростатическим, магнитостатическим, электромагнитным. Эти свойства обусловлены особенностями молекулярного строения веществ, их кристаллических решёток и конфигураций электронных оболочек атомов. Количественно эти свойства описываются при помощи характеристик материалов, а также зависимостей этих характеристик от внешних воздействий (температуры, частоты, напряженности полей и других). 1.1. Виды химических связей Отдельные атомы всех элементов, кроме инертных газов, являются нестабильными и склонны к образованию систем (молекул или кристаллов). Известны и более сложные системы - молекулярные кристаллы, например, парафин. Для разрушения такой системы требуется некоторая энергия, значение которой зависит от типа связи. Среди известных типов связей различают следующие основные: ковалентную, ионную, металлическую, молекулярную и водородную. При формировании системы определяющим фактором является структура внешних электронных оболочек атомов, формирующих эту систему. Так, например, атомы водорода образуют молекулу Н2, так как для заполнения подоболочки 1s (n=1, l=0) требуется два электрона (2·n2 = 2). Атомы кремния (Si) образуют не молекулы, а пространственную структуру, или кристаллическую решётку, заполняя верхний слой оболочки электронами ближайших четырёх атомов, каждый из которых также связан с четырьмя соседними атомами. Ионная связь основана на электростатическом взаимодействии разнополярных ионов, образующих вещество, и характерна, например, для солей щелочных металлов. Пара таких ионов обладает свойствами элементарного электрического диполя. Устойчивость электронных оболочек обеспечивается за счёт перехода электронов от атома одного элемента в оболочку другого, например, одного электрона атома щелочного металла в оболочку галогена (NaCl, CsCl, LiF). В этом случае, как у металла, так и у галогена внешняя оболочка становится устойчивой, так как атом металла теряет один валентный электрон, а атом галогена, благодаря этому, формирует замкнутую оболочку из восьми электронов. Наличие электростатического поля ионов приводит к взаимодействию с другими парами ионов, в результате чего образуется кристаллическая решётка. Вещества с ионной связью при низких температурах проявляют высокие диэлектрические свойства. При увеличении температуры их электропроводность растёт. Характерной особенностью соединений с такими связями являются: ¾ интенсивное поглощение инфракрасных лучей; ¾ существенная зависимость электрических свойств от температуры: при низкой - проявляются высокие диэлектрические свойства, а при высокой высокая проводимость; ¾ твердые тела с ионной связью обладают кристаллической структурой, повышенной механической прочностью и относительно высокой температурой плавления. Ковалентная связь (гомеополярная) образуется за счёт того, что ядра атомов, между которыми эта связь возникает, становятся центрами притяжения всех электронов этих атомов. Эти электроны становятся общими и образуют замкнутую электронную оболочку. Ковалентная связь характерна как для молекул двухатомных газов (Cl2, H2), так и для атомов кристаллов алмаза, кремния, германия. Устойчивость электронной структуры этих кристаллов обусловлена замкнутостью оболочки из восьми электронов, попарно принадлежащих четырем расположенным рядом атомам кристалла. Ковалентная связь в чистом виде характерна для молекул из одинаковых атомов, в которых распределение электронной плотности симметрично относительно обоих ядер. Если в молекулу с ковалентной связью входят атомы разных элементов (например, карбид кремния - SiC), то результирующее электронное облако будет асимметричным, вследствие чего атомы уже нельзя считать незаряженными, а связь - чисто ковалентной. В этом случае действуют оба типа связи: ионная и ковалентная. Для кристаллов с ковалентной связью (в чистом виде) характерны механическая твердость и свойства диэлектрика при низких температурах. Металлическая связь. Электроны, принадлежащие внешней оболочке в атомах металлов, могут притягиваться другими атомами, свободно перемещаясь от атома к атому. Эти электроны принадлежат всей совокупности атомов и определяют электропроводность металлов. В основе металлической связи лежит взаимодействие положительно заряженных ионов, расположенных в узлах кристаллической решётки, и электронов проводимости. Наличие свободных электронов определяет высокую электропроводность и теплопроводность металла. Пластичность металлов объясняется способностью к сдвигу отдельных слоёв кристаллической структуры. Молекулярная связь существует между молекулами вещества с ковалентными внутримолекулярными связями. Инертные газы и газы с насыщенными молекулами образуют связь под действием слабых электростатических сил (сил Ван-дер-Ваальса). Межмолекулярное притяжение в этом случае обусловлено согласованностью движения валентных электронов в соседних молекулах. Эта согласованность приводит к преобладанию сил притяжения между ядрами и валентными электронами атомов других молекул над силами отталкивания электронных оболочек. Энергия молекулярной связи мала (Ar - 7,5 Дж/моль, для метана- 10 Дж/моль). Вещества с молекулярными связями обладают низкими температурами плавления и кипения, сжимаемостью, что свидетельствует о непрочности молекулярных кристаллических решёток и низкой энергии связи сил Ван-дер-Ваальса. Водородная связь реализуется при участии ядра водорода (протона), обеспечивающего попарное кулоновское взаимодействие с двумя отрицательными ионами. За счет этого взаимодействия связываются ионы одинаковых знаков. Энергия водородной связи мала и составляет величину порядка 20-50 Дж/моль. Для веществ с водородной связью характерно наличие высоких диэлектрических свойств. Типичными представителями веществ с водородной связью являются сегнетоэлектрики, применяемые для гидроакустических преобразователей: дигидрофосфат аммония - NH4H2PO4 (сокращенно - ADP) и дигидрофосфат калия - КH2PO4 (сокращенно - KDP). Свойства веществ зависят и от других таких факторов, как химический состав, количество примесей, внешних условий формирования материала. 1.2. Зонная теория твердых тел Зонная структура энергетических уровней вытекает из решения уравнения Шрёдингера для электрона, движущегося в периодическом силовом поле решётки кристалла. В процессе образования кристалла уменьшаются расстояния между взаимодействующими атомами, и в соответствии с принципом Паули происходит расщепление разрешённых энергетических уровней. В результате этого возникают совокупности близко расположенных уровней, или так называемые зоны. Вместо одного и одинакового для всех изолированных атомов уровня возникает их совокупность, содержащая по одной линии на каждый атом. При ширине энергетической зоны порядка 1эВ и количестве атомов в кристалле порядка 1023 разница в энергии соседних линии одной зоны составит -23 около 10 эВ. Поскольку квантовое число ms может принимать два значения, то на любом разрешённом уровне могут находиться два электрона, обладающие противоположными спинами. Существование энергетических зон позволяет, опираясь на выводы квантовой механики, объяснить различие в свойствах проводников, полупроводников и диэлектриков. Степень расщепления уровня зависит как от самого энергетического уровня, так и от межатомного расстояния. Уровни, заполненные внутренними электронами, расщепляются слабо. На рис.1 изображена диаграмма, поясняющая влияние межатомного расстояния на степень расщепления различных энергетических уровней. Рис.1. Влияние межатомного расстояния на степень расщепления энергетических уровней электронов в кристалле В зависимости от конкретных свойств атомов, образующих твердое тело, межатомное расстояние r принимает определённое значение. При относительно больших расстояниях (соизмеримых с r1) степень расщепления незначительна, в результате чего между разрешёнными зонами остаются области запрещенных значений энергий - запрещённые зоны (см. рис.1). При меньших расстояниях (соизмеримых с r2) взаимное влияние соседних атомов на структуру их оболочек оказывается существеннее, в результате значительное расщепление сопровождается перекрытием соседних зон, что и приводит к исчезновению запрещенной зоны между ними. Введём понятие валентной зоны - разрешённой зоны, возникшей из уровня, на котором находятся валентные электроны в основном состоянии изолированного атома. При температуре абсолютного нуля (Т=0К) электроны попарно заполняют нижние уровни валентной зоны. Более высокие разрешённые уровни остаются свободными. Разрешённую (свободную) зону, не заполненную электронами при Т= 0К, называют зоной проводимости. Она формируется за счёт энергетических уровней внешних «коллективизированных» электронов атомов, образующих кристаллическую решётку. Частично заполненная валентная зона является также и зоной проводимости, так как её свободные уровни могут быть заняты электронами, получившими дополнительную энергию за счёт электрического поля. Между валентной зоной и зоной проводимости может располагаться запрещенная зона. Значения энергии, принадлежащие запрещённым зонам, не реализуются. В зависимости от степени заполнения (заселённости) валентной зоны и ширины запрещённой зоны возможны три типа энергетических диаграмм, соответствующих металлам, полупроводникам и диэлектрикам: • валентная зона может быть заполнена как частично, так и полностью; между валентной и свободной зонами может находиться запрещённая зона шириной порядка нескольких электронвольт; валентная зона и зона проводимости могут перекрываться (металлы); • валентная зона заполнена полностью, ширина запрещённой зоны доли электронвольта (собственные полупроводники); • валентная зона заполнена полностью, запрёщенная зона - несколько электронвольт (диэлектрики). Энергетические диаграммы для металлов, диэлектриков и полупроводников приведены на рис.2. 1 1 2 3 1 Б) Полупроводники 3 1 1 2 А) Металлы Е > 2 эВ 3 В) Диэлектрики Рис.2. Энергетические диаграммы для металлов, диэлектриков и полупроводников. Обозначение зон: 1 – свободная; 2 – частично заполненная; 3 – полностью заполненная В металлах валентная зона может быть заполнена не полностью. Это происходит, если на верхнем уровне находится только один электрон или разрешённые зоны перекрываются (при межатомных расстояниях порядка r2, см. рис.1). Перекрытие зон характерно для щёлочно-земельных элементов, образующих II группу таблицы Д. И. Менделеева (Be, Mg, Ca, Zn, …). В случае перекрытия валентной и свободной зон образуется так называемая «гибридная» зона, заполненная электронами лишь частично за счёт уровней свободной зоны. При этом валентная зона может быть заполнена полностью. Таким образом, если энергетическая диаграмма твёрдого тела содержит частично заполненную зону (валентную или проводимости), то это тело является проводником. Энергии теплового движения электрона, составляющей величину порядка Еk=10-4 эВ (при Т=1К) оказывается достаточно, чтобы перевести электрон на более высокий энергетический уровень (ΔЕ = 10-23 эВ). Дополнительная энергия, обусловленная действием сил электрического поля, также оказывается достаточной для перехода электрона на более высокие энергетические уровни. Эти электроны, ускоренные электрическим полем, и формируют ток проводимости. Типичными представителями таких кристаллов являются металлы. Во втором и третьем случаях (см. рис. 3,б и в) валентная зона полностью занята электронами. Поэтому для перехода на более высокий энергетический уровень электрону необходима энергия не меньше, чем ширина запрещённой зоны ΔЕ. Если эта энергия невелика (десятые доли электронвольта), то она может быть получена за счет теплового движения. В этом случае электрон перейдет в свободную зону. Вещества с такой схемой проводимости называют собственными полупроводниками. Их электропроводность на несколько порядков меньше самых плохих проводников, но значительно выше, чем у диэлектриков. При ширине запрещенной зоны ΔЕ в несколько электронвольт энергии теплового движения недостаточно для перехода заметного числа электронов в свободную зону. В этом случае кристалл оказывается диэлектриком и практически не обладает электропроводностью. Удельные сопротивления 13 диэлектриков как минимум в 10 раз больше, чем у металлов. Их удельные (объёмные) сопротивления составляют порядка 107—1015 Ом·м, а у чистых металлов - менее 10 - 6 Ом·м. Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то под влиянием его напряжённости скорость и энергия электронов начнут увеличиваться. Это означает, что энергетические уровни электронов становятся более высокими. Если при этом энергетическая зона полностью заполнена и перекрытие разрешённых зон отсутствует (см. рис.2,в), то электроны не могут перейти на более высокий энергетический уровень, поэтому электропроводность отсутствует. Таким образом, вещества с подобной зонной структурой являются диэлектриками (изоляторами). Для перехода электронов в зону проводимости к диэлектрику следует подвести дополнительную энергию, достаточную по величине для преодоления электронами запрещённой зоны. Эта энергия может быть подведена в форме тепла или в виде квантов электромагнитной энергии (ультрафиолетового или рентгеновского диапазонов). 1.3. Дипольный момент молекулы. Полярные и неполярные диэлектрики Молекулы в зависимости от наличия в них асимметрии электрического поля делятся на полярные и неполярные. В полярных молекулах центры положения суммарных зарядов противоположных знаков не совпадают, поэтому такие молекулы обладают дипольным моментом, модуль которого равен PQx = Q ⋅ x , где Q - суммарный заряд любого знака, x - взаимное смещение "центров" суммарных зарядов. Дипольный момент молекулы PQx является вектором, направленным от отрицательного заряда к положительному. Модуль дипольного момента PQx равен произведению расстояния между зарядами на модуль заряда. В неполярных молекулах эти центры совпадают, поэтому их дипольный момент равен нулю. Молекулы веществ, состоящие из однотипных атомов (например, газы H2, O2, N2 и др.) симметричны и поэтому неполярны. Молекулы веществ, состоящие из двух разнотипных атомов, всегда полярные. Если же разнотипных атомов в молекуле три и более, то молекула может быть как полярной, так и неполярной. Например, молекула углекислого газа, состоящая из трёх разнотипных атомов (СО2 → О-С-О) симметрична и неполярна. Это остаётся справедливым и для молекулы ацетилена (C2H2). Молекулы H2O и NH3 имеют несимметричное строение, поэтому проявляют полярные свойства. Особую группу материалов составляют вещества, молекулы которых имеют ионную связь (NaCl, KCl, KBr и др.). Их кристаллические решётки представляют собой систему знакочередующихся узлов - ионов. В таких решётках нельзя выделить отдельную молекулу, а саму решетку следует рассматривать в виде двух подрешеток, вставленных друг в друга. Как известно, молекулы состоят из атомов, окруженных электронными оболочками. При этом электроны могут равномерно распределяться по молекуле, а могут и концентрироваться на каких-либо атомах. В первом случае говорят, что молекула неполярная. Пример - молекула водорода или атом гелия. Во втором случае в молекуле образуются области с положительным и отрицательным зарядами. Если в молекуле можно выделить направление, вдоль которого с одной стороны можно расположить положительные заряды, а с другой стороны - отрицательные, то такая молекула является полярной или дипольной. В полярной молекуле под действием поля происходит ориентация диполя в направлении вектора напряженности. Диэлектрики, состоящие из полярных молекул, называют полярными диэлектриками. В этом случае в зависимости от значения дипольного момента молекулы и концентрации молекул поляризация может быть значительной. В неполярной молекуле под действием электрического поля происходит смещение (деформация) электронных оболочек. В результате этой деформации возникает индуцированный дипольный момент молекулы, то есть молекула поляризуется. Поляризация за счет смещения электронов называется электронной. Возникающий дипольный момент невелик. Диэлектрики, состоящие из неполярных молекул, называются неполярными диэлектриками. В некоторых твердых диэлектриках может существовать особый вид поляризации – спонтанная (самопроизвольная), или доменная поляризация. Она существует только в кристаллах, но далеко не во всех, в аморфных телах ее не бывает. В некоторых веществах самопроизвольно возникают поляризованные микроскопические области (домены). При этом происходит смещение положительно заряженных ионов решетки в одну сторону, а отрицательно заряженных ионов в другую сторону. Микрообласть со спонтанной поляризацией называется доменом. Суммарный дипольный момент любого образца макроскопических размеров равен нулю, т.к. дипольные моменты доменов направлены в разные стороны. Если дипольные моменты доменов хаотически направлены в разные стороны, то такой диэлектрик называется сегнетоэлектриком. Под действием электрического поля размеры доменов, направленных вдоль вектора поля увеличиваются, а противоположно направленные домены уменьшают свой размер. Кроме того, домены в диэлектрике поворачиваются в направлении электрического поля, как гигантские диполи. Только в отличие от диполей, где молекулы физически поворачиваются, в доменах перестраивается структура, так, что результирующий вектор поляризации каждого домена чуть-чуть смещается в направлении поля. 2. ДИЭЛЕКТРИКИ И ИХ ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Диэлектрики, или электроизоляционные материалы по своему значению не уступают другим электротехническим материалам. Спектр их применения очень широк и простирается от изоляционных покрытий обмоточных проводов и силовых кабелей до микросхем и элементов оптоволоконной техники. 2.1. Поляризация и электропроводность диэлектриков В любом веществе, помещённом в электрическом поле, составляющие его электрические заряды (электроны, атомные ядра) испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов, называемых свободными, направленно перемещаются, образуя электрический ток. Остальные же заряды (связанные упругими силами взаимодействия) перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга. В этом случае говорят о поляризации вещества. Способность материалов реагировать на внешнее электрическое поле образованием областей связанных зарядов называют поляризуемостью. Диэлектриками могут быть также жидкости и газы. В обычных условиях все газы состоят в основном из нейтральных молекул и поэтому являются диэлектриками. При наличии источника энергии, достаточной для ионизации, атомы и молекулы распадаются на ионы, и газ, превращаясь в плазму, начинает проводить электрический ток. Основным процессом, протекающим в диэлектрике под воздействием электрического поля, является поляризация, или возникновение областей связанных зарядов. Разная физическая природа связанных зарядов определяет существенные отличия процессов поляризации для различных веществ. Поляризация вещества имеет три основных «механизма», в основе которых лежат процессы деформации электронных оболочек атомов, смещения ионов в кристаллах и ориентация полярных молекул. Большинство материалов обладают двумя и более типами поляризации. Наличие в диэлектрике незначительной концентрации свободных зарядов приводит к возникновению малого тока проводимости. Протекание токов проводимости сквозь толщу диэлектрика и по его поверхности сопровождается рассеянием энергии и выделением тепла. Под действием переменного электрического поля в диэлектрике возникают дополнительные составляющие тока проводимости. Их появление обусловлено особенностью процессов поляризации в переменных полях (замедленная поляризация), наличия проводящих микровключений, ионизацией газовых включений, особенно на высоких частотах. Для количественного описания электропроводности диэлектриков на постоянном токе используют понятия удельных сопротивлений (поверхностного и объёмного). На переменном токе используют другие характеристики - тангенс угла диэлектрических потерь и связанный с ним коэффициент диэлектрических потерь. 2.2. Основные типы поляризации диэлектриков В соответствии с особенностями строения диэлектриков и существования различных видов связанных зарядов можно выделить три основных типа поляризации: 9 электронная (деформационная), обусловленная деформацией электронных оболочек неполярных молекул; 9 ионная, заключающаяся в противоположном перемещении подрешёток кристаллической структуры под действием внешнего поля; 9 дипольная (ориентационная), обусловленная пространственной ориентацией дипольных моментов и самих полярных молекул под действием сил поля. -15 Электронная и ионная поляризации происходят практически мгновенно (10 – -13 10 С) и без рассеяния энергии, то есть упруго и без выделения тепла. Электронная поляризация в той или иной степени характерна для любых диэлектриков. Эти два механизма поляризации (электронная и ионная) относятся к мгновенному типу поляризации. Дипольная поляризация сопровождается частичной ориентацией молекул диэлектрика, находящихся в процессе хаотического теплового движения, под действием сил внешнего электрического поля. Этот тип поляризации сопровождается рассеянием энергии, выделением тепла и происходит замедленно. Дипольная поляризация относится к так называемому релаксационному типу, включающему в себя и другие виды поляризации (ионнорелаксационную и электронно-релаксационную). Известны и другие типы поляризации – миграционная и спонтанная. Механизмы поляризации диэлектрика зависят от характера химической связи, то есть распределения электронных плотностей в диэлектриках. «Механизмы» поляризации для основных типов химической связи схематично изображены на рис.3. Например, в ионных кристаллах (каменная соль NaCl и др.), где электроны распределены так, что можно выделить отдельные ионы, поляризация является результатом сдвига ионов друг относительно друга (ионная поляризация, рис. 3,б), а также деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация, рис.3,а). Иными словами, поляризация в этом случае является суммой ионной и электронной поляризаций. В кристаллах с ковалентной связью (например, в алмазе), где электронные плотности равномерно распределены между атомами, поляризация обусловлена главным образом смещением электронов, осуществляющих химическую связь (рис. 3,а). E=0 E=0 E=0 Ve - + E E E Ve - + E б) а) - ядро; - электрон; - дипольный момент молекулы; + E в) - положительный ион; - упругая связь; Рис.3. Схематическое изображение основных механизмов поляризации а) – электронная (деформационная); б) – ионная; в) – дипольная В полярных диэлектриках (например, твёрдый сероводород) группы атомов молекулы или радикалы представляют собой электрические диполи, которые в отсутствии электрического поля ориентированы хаотически, а под действием поля эти диполи ориентируются вдоль него (рис. 3,в). Такая ориентационная (дипольная) поляризация типична для полярных жидкостей и газов. Сходный механизм поляризации связан с перескоком под действием электрического поля отдельных ионов из одних возможных положений равновесия в решётке в другие. Особенно часто такой механизм поляризации наблюдается в веществах с водородной связью (например, у льда), где ионы водорода имеют несколько положений равновесия. Так как процесс поляризации заключается в перераспределении связанных зарядов, размещённых на частицах определённой массы (электроны, ионы и т.д.), то его результат зависит от скорости изменения напряженности внешнего поля. Поэтому многие электрические свойства диэлектриков проявляют зависимость в той или иной степени от частоты изменения электрического поля, в котором они находятся. Это явление называется дисперсией. В стационарном поле, напряжённость которого сохраняется во времени постоянной, процессы поляризации происходят под действием электростатических сил поля. В этом случае свойства диэлектрика описывают статическими значениями соответствующих электрических характеристик. Для описания свойств диэлектрика в переменных полях используют динамические параметры и их зависимости от частоты. 2.3. Статическая диэлектрическая проницаемость Поляризацию диэлектриков, независимо от её типа, характеризуют вектором поляризованности P, который представляет собой дипольный момент единицы объёма диэлектрика: P = p V , V где pv – дипольный момент объёма V диэлектрика. Вектор P зависит от напряжённости электрического поля Е. Поскольку сила, действующая на заряд, пропорциональна Е, то при малых напряжённостях поля (для изотропных диэлектриков) величина Р пропорциональна Е: P = κε 0 E , где κ – диэлектрическая восприимчивость вещества, ε0 – электрическая постоянная. Диэлектрическая восприимчивость количественно характеризует способность вещества к поляризации, является безразмерной и положительной. Процесс поляризации схематично изображён на рис.4. E0 E E’ - + E E’ E0 Рис.4. Диэлектрик в электростатическом поле Попадая во внешнее электростатическое поле с напряжённостью Е0, диэлектрик поляризуется. В результате поляризации в толще диэлектрика возникают области связанных зарядов. Это приводит к возникновению дополнительного поля с напряжённостью Е′, ослабляющего внешнее поле. Вектор напряженности поля связанных зарядов Е′ направлен противоположно вектору Е0 и равен по модулю kЕ. В результате такого сочетания векторов напряжённости полей в диэлектрике устанавливается ослабленное поле с напряженностью, равной по модулю Е: E = E0 − κE. Из последнего соотношения результирующего поля равен: следует, что модуль напряжённости E= E0 E = 0, 1+ κ ε где ε = 1+к – диэлектрическая проницаемость среды. Таким образом, поле связанных зарядов ослабляет исходное поле в (1+ k) раз. Величину ε = 1+к называют диэлектрической проницаемостью вещества. Она является безразмерной, положительной и показывает, во сколько раз снижается напряжённость исходного электрического поля Е0 в результате поляризации диэлектрика. В электродинамике используется понятие вектора электрического смещения D: D = ε0εE, который определяет поле как в случае вакуума, так и в случае диэлектрика. Так как ε = 1+k, а P = kεE, то для смещения D справедливо ещё одно соотношение: D = ε0(1+k)E = ε0E + ε0kE = ε0E + P, из которого следует, что смещение описывает электрическое поле, обусловленное свободными зарядами, но при таком их распределении в пространстве, какое образуется при наличии в нём диэлектрика. В отличие от вектора Е, вектор смещения D не претерпевает разрыва на границе раздела диэлектриков. Значение диэлектрической проницаемости в зависимости от структуры диэлектрика и внешних условий (температура, частота поля) лежит в диапазоне от нескольких единиц для неполярных диэлектриков до ста тысяч для некоторых сегнетоэлектриков. Типичные значения ε и других характеристик для некоторых диэлектриков даны в таблице 1. Значительный разброс значений ε объясняется тем, что в разных веществах основной вклад в диэлектрическую проницаемость дают различные механизмы поляризации. В ионных кристаллах наиболее существенна ионная поляризация, а в ковалентных кристаллах, где основной вклад в поляризацию даёт перераспределение валентных электронов, - деформационная. Большой вклад в диэлектрическую проницаемость даёт ориентационная поляризация. Поэтому в полярных диэлектриках ε сравнительно велика, например, для целлюлозы она составляет 6,5. Сегнетоэлектрики (сегнетова соль, титанат бария и другие) имеют очень большие значения ε (десятки тысяч), явно выраженную зависимость свойств от частоты и напряжённости электрического поля, гистерезис. Таблица 1 Свойства диэлектриков Тип ε tgδ Нагревостойкость, диэлектрика ˚C Органические диэлектрики Синтетические полимеры Политетрафторэтилен 1,9-2,2 0,0001-0,0004 250 Полиэтилен 2,3-2,4 0,0001-0,0005 80-90 Полистирол 2,4-2,6 0,0001-0,0005 70-80 3-5 0,03-0,08 60-70 3,5-4,5 0,02-0,08 70-90 (фторопласт-4) Поливинилхлорид Полиметилметакрилат Природные смолы и растительные масла Янтарь 2,8 0,001 - 2,7-3,3 0,005-0,05 50-70 Шеллак 3,5 0,01 50-60 Битумы 2,5-3,0 0,01 50-125 Касторовое масло 3,5-4,5 0,01-0,8 100 Канифоль Неорганические материалы Слюда: (частота 1 МГц) мусковит 6-8 0,0003 500-600 флогопит 5-7 0,0015 800-900 Микалекс 6,0-8,5 0,003-0,01 300-350 3,8 0,0002 1600 3,8-16,2 0,0002-0,01 400-1600 Кварцевое стекло (SiO2 – 100%) Технические стёкла (SiO2 и B2O3 с примесями окислов металлов) 2.4. Диэлектрики в переменном поле Если электрическое поле изменяется во времени, то величина поляризации не успевает следовать за вызывающим её электрическим полем, так как смещение зарядов не может происходить мгновенно. Диэлектрическая проницаемость ε в общем случае является комплексной величиной: ε(ω) = ε1 + jε2, и характеризуется двумя величинами - ε1 и ε2, зависящими от круговой частоты ω переменного поля. Абсолютная величина определяет амплитуду колебания D, а отношение (ε2/ε1) = tgδ определяет разность фаз δ между колебаниями D и Е. Величина δ называется углом диэлектрических потерь. Это название связано с тем, что наличие разности фаз δ приводит к поглощению энергии переменного электрического поля в диэлектрике. В постоянном электрическом поле (ω = 0) ε2 = 0, поэтому величина ε1 совпадает с ε. Изменение поверхностной плотности зарядов, а значит и вектора электрического смещения D приводит к появлению тока смещения, плотность которого jCM определяется скоростью изменения вектора D: j CM = dD dt = d (ε 0 E + P ) = ε dt 0 dE dP + dt dt = j р + jа . Естественная инерционность процессов смещения связанных зарядов (особенно сильная для полярных диэлектриков) приводит к отставанию процессов поляризации, что обуславливает появление в токе смещения активной составляющей плотности тока - ja. Диэлектрические потери – это та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике благодаря наличию активной составляющей поляризационного тока. Природа диэлектрических потерь многообразна, что обусловлено особенностями различных видов поляризации. Для твёрдых диэлектриков основными причинами диэлектрических потерь являются ток проводимости и активная составляющая поляризационного тока, отстающая от поляризационного тока на угол (90°-δ). Для решения ряда задач необходимо представление образца диэлектрика в виде некоторой математической модели. В ряде случаев оказывается достаточным использование эквивалентной электрической схемы замещения, представляющей образец диэлектрика в виде электрической ёмкости и активного сопротивления, соединённых тем или иным способом. Одна из таких схем представлена на рис.5. Для реальных диэлектриков характерны и другие причины потерь – наличие проводящих примесей и включений, а также ионизация газовых включений, проявляющаяся при высоких напряжённостях полей и на высоких частотах. . j U Ia Iр С I Iр δ R U I 0 Ia a +1 б Рис.5. Электрическая модель диэлектрика в переменном поле а) – схема замещения; б) – векторная диаграмма 2.5. Диэлектрические потери В идеальном диэлектрике (без потерь) энергия электростатического поля может только накапливаться и сохраняться равной w (в расчёте на единицу объема): W w = V = ε 0ε ⋅ E 2 2 . В реальном диэлектрике часть энергии рассеивается, превращаясь в другой вид энергии, а именно в теплоту. В диэлектриках есть два основных механизма превращения энергии в тепло: потери за счет проводимости и поляризационные потери. Удельные потери проводимости (удельная тепловая мощность тока) при постоянном напряжении определяются по закону Джоуля - Ленца в дифференциальной форме: p = P = γ ⋅ E 2, V где Е – напряженность электростатического поля; γ – удельная проводимость диэлектрика. Удельная проводимость диэлектриков на постоянном токе крайне незначительна, поэтому и потери энергии оказываются пренебрежимо малыми по сравнению с потерями на переменном токе. Для случая переменного напряжения появляются потери, связанные с поляризацией и токами абсорбции, которые принято представлять в виде удельной активной мощности: p= где γа = ω ε ε 0 t g δ P = ω ⋅ ε 0ε ⋅ tg δ ⋅ E 2 = γ а ⋅ Е 2 , V – активная составляющая удельной проводимости. Как следует из последнего выражения, удельная активная мощность p оказывается пропорциональной произведению ε·tgδ, которое называют коэффициентом диэлектрических потерь Кп: Kп = ε ⋅ tgδ . Учитывая выражения для Кп , величины γа и p представим в следующем виде: γ a = ε 0 ⋅ω ⋅ K п , p = ε 0 ⋅ω ⋅ K п ⋅ E 2 . Таким образом, удельная активная мощность потерь p пропорциональна частоте ω, квадрату напряжённости поля Е и коэффициенту диэлектрических потерь Кп , учитывающему влияние диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ. Такая форма представления величины p удобна для раздельной оценки влияния характеристик поля (ω,Е) и свойств диэлектрика (ε, tgδ) на величину удельной активной мощности потерь. Физический смысл тангенса угла диэлектрических потерь становится ясным, если обратиться к векторной диаграмме, изображенной на рис.5,б. Из этой диаграммы следует, что tg δ = Ia . Ip Таким образом, tgδ – это отношение активной и реактивной составляющих тока, возникающих под действием переменного (синусоидального) напряжения, приложенного к образцу диэлектрика. Так как оба элемента схемы замещения (R и C) находятся под одинаковым напряжением, то отношение мощностей этих элементов оказывается равным отношению токов, протекающих через них. Поэтому тангенс угла потерь показывает, какую часть от реактивной мощности составляет мощность активных потерь. Применяется и другое понятие - добротность изоляции, определяемое соотношением: Q = Ip Pp 1 = = , tg δ Ia Pa характеризующее отношение реактивной мощности к активной. Уменьшение диэлектрических потерь имеет большое значение в производстве конденсаторов и в электроизоляционной технике. Большие диэлектрические потери используют для диэлектрического нагрева в поле высокой частоты. Значения tgδ для лучших сортов некоторых диэлектриков (на частоте 50 Гц) даны в таблице 2. Таблица 2 Диэлектрик tgδ Трансформаторное масло (t = 90°С) 5·10 -3 Конденсаторная бумага 9·10 -3 (пропит. компаундом, t = 36°С) Газообразные диэлектрики 10 -9 Полиэтилен 10 -4 Сегнетокерамика на основе 10 -3 титаната бария Из приведенных данных следует, что газообразные диэлектрики обладают ничтожными потерями, твердые и жидкие диэлектрики имеют потери на несколько порядков выше, причем для полярных диэлектриков характерны более высокие значения потерь. Отметим, однако, что при сравнении диэлектриков по значениям ε и tgδ обязательно следует учитывать зависимость этих параметров от температуры, частоты переменного поля, влажности и других внешних факторов, существенно влияющих на эти значения. Причины значительного разброса значений tgδ для различных диэлектриков кроются в особенностях физических процессов, сопровождающих поляризацию различных типов, и в их многообразии. Так, например, инерционность процессов поляризации, определяющая в значительной степени диэлектрические потери, зависит от механизма поляризации, преобладающего в данном диэлектрике. Иными словами, поляризация устанавливается не мгновенно, а в течение некоторого времени Δt, зависящего от типа поляризации. Так, например, электронная поляризация устанавливается за субпикосекундные интервалы времени (10-15с), ионная – за пикосекундные (10-12с), дипольная - за наносекундные (10-9с), а доменная - за микросекундные интервалы Δt. Рассмотрим особенности потерь в диэлектриках разных видов. Низкие потери в газообразных диэлектриках обусловлены как малой электропроводностью, так и малой поляризацией, даже в случае дипольных молекул, поскольку малы его концентрация и вязкость. Сравнительно низкие потери в полиэтилене и некоторых других полимерах обусловлены преимущественно поляризацией молекул и групп молекул вещества. При этом потери происходят, в основном, за счет наличия примесей (их поляризации и движения). Потери в жидких диэлектриках (типа трансформаторного масла), связаны с наличием слабополярных групп в молекулах и наличием ионных примесей. В сегнетоэлектриках потери высоки в области мегагерцовых частот, что обусловлено установлением доменной поляризации. Частотная зависимость потерь является важной характеристикой материала и определяется не только структурой материала, но и наличием и составом примесей. Как правило, потери имеют максимум при одной или нескольких частотах, в зависимости от строения диэлектрика. Положение максимумов на частотной оси характеризуется собственными частотами установления поляризации. Они могут быть связаны с поворотом полярных молекул в жидком диэлектрике или с поворотом домена в сегнетоэлектрике. При воздействии переменного напряжения, период которого много меньше времени установления соответствующей поляризации, диэлектрическая проницаемость и, соответственно, потери - малы. Поэтому в неполярных диэлектриках потери малы практически на всех частотах. Если период переменного напряжения близок к времени установления поляризации, то потери достигают максимального значения. Физически это можно представить следующим образом на примере дипольной поляризации. При воздействии напряжения диполи начинают поворачиваться и ориентируются вдоль действия электрического поля примерно к моменту окончания первого полупериода напряжения. На следующем полупериоде они разворачиваются и ориентируются в новом направлении примерно к его окончанию. Это явление по своей сути напоминает резонанс. Получается, что диполи непрерывно вращаются, а поскольку этот процесс происходит в вязкой среде, то энергия движения, поступающая из электрического поля, передается окружающим молекулам. В результате этого энергия, поступающая из источника, расходуется на нагревание диэлектрика. При воздействии переменного напряжения, период которого много больше времени установления соответствующей поляризации, диэлектрическая проницаемость, соответствующая этому виду максимальна и потери, связанные с этим малы. Знание частотной зависимости tgδ необходимо для рационального выбора диэлектрика (или типа применяемого конденсатора), работающего при вполне определённых напряжениях и частотах, определяющих уровень диэлектрических потерь, а значит и температуру материала, которая не должна превышать предельно допустимую. Следует отметить, что влиянию температуры, частоты, влажности, напряженности поля подвержены не только диэлектрические потери, но и другие электрические характеристики диэлектриков – диэлектрическая проницаемость ε и проводимость γ. Причинами этого является зависимость характера движения связанных и свободных зарядов от этих факторов. 2.6. Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость и потери Многообразие физических процессов различных типов поляризации, проявляется в специфике температурных зависимостей диэлектрической проницаемости и потерь. Степень зависимости ε от температуры Т количественно оценивается температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТКε: 1 Δε TK ε = ⋅ . ε Δt Для твёрдых неполярных диэлектриков характерно монотонное уменьшение ε с ростом Т, что обусловлено уменьшением числа молекул в единице объёма. В окрестности точки плавления происходит наиболее существенное изменение диэлектрической проницаемости, связанное с резким изменением плотности вещества. Твёрдые диэлектрики ионной структуры с плотной упаковкой обладают электронной и ионной поляризацией одновременно. С ростом температуры происходит ослабление сил упругого взаимодействия между ионами вследствие увеличения расстояния между ними. В результате этого и под действием электрического поля смещение ионов усиливается, и диэлектрическая проницаемость ε растёт. Для большинства ионных кристаллов ТКε > 0. Исключение составляют рутил (TiO2) и некоторые титанаты, у которых преобладает электронный тип поляризации, ослабевающий с ростом температуры. Диэлектрики с ионной структурой и неплотной упаковкой, кроме ионной и деформационной, обладают ионно-релаксационной поляризацией, которая существенно усиливается с ростом температуры. Эти диэлектрики (неорганические стёкла, фарфор) обладают, как правило, большими положительными ТКε. В твердых полярных диэлектриках (целлюлоза, полярные полимеры, лёд) дипольным моментом обладают молекулы или радикалы, входящие в их состав. При наличии радикалов поляризация (называемая дипольно-радикальной) обусловлена их ориентацией по отношению к молекуле. Такой поляризацией обладает целлюлоза, полярность которой обусловлена наличием в её составе гидроксильных групп ОН. Процессы ориентации диполей происходят на фоне хаотического теплового движения, поэтому полярные диэлектрики обладают существенной и немонотонной зависимостью ε от температуры. С увеличением температуры силы молекулярного взаимодействия ослабляются, вязкость уменьшается, что способствует поляризации и росту диэлектрической проницаемости. Дальнейший рост температуры сопровождается увеличением энергии теплового движения молекул, которое нарушает ориентацию, так как является хаотическим. В результате этого у некоторых полярных диэлектриков (жидкость совол) зависимость ε(Т) имеет максимум. Среди твёрдых диэлектриков наиболее ярко выраженными максимумами в зависимости ε(Т) обладают сегнетоэлектрики (сегнетова соль, титанат бария и другие). Температура оказывает влияние не только на величину ε, но и влияет на диэлектрические потери. Дипольная поляризация обычно связана с ориентацией диполей в вязкой среде, поэтому сопровождается относительно высокими потерями энергии. Потери при электронной и ионной поляризации - существенно меньше. Температурная зависимость потерь обычно имеет монотонный характер, потери растут с ростом температуры, хотя у некоторых полярных диэлектриков (целлюлоза, канифоль, совол) наблюдаются локальные максимумы. Графики типичных зависимостей величины tgδ от температуры для некоторых диэлектриков даны на рис.8. tgδ 0,020 стекло щелочное 0,015 керамика 0,010 0,005 компаунд 0,000 0 20 40 60 80 температура, град С Рис.8. Влияние температуры на tgδ для некоторых диэлектриков Электрические свойства диэлектрика зависят и от таких факторов, как влажность окружающей среды, напряженность электрического поля и других.С ростом влажности потери растут, для некоторых диэлектриков - весьма значительно. 2.7. Применение диэлектриков Диэлектрики используются практически в любом электротехническом или электронном изделии и по своему назначению могут быть разделены на три группы: • материалы, предназначенные для электрической изоляции; • материалы, используемые в качестве диэлектриков в конденсаторах; • пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики и другие материалы, обладающие особыми свойствами. Электроизоляционные материалы должны обладать достаточно большими удельными сопротивлениями и высоким пробивным напряжением. Значения tgδ и ε должны быть достаточно малыми, так как они определяют диэлектрические потери в материале. Все эти параметры должны быть стабильными по отношению к температуре и влажности окружающей среды, приложенному электрическому напряжению и времени. Благодаря своим хорошим свойствам, продолжают использоваться природные органические и неорганические материалы. К ним относятся слюда, асбест, янтарь, целлюлоза, хлопок, натуральный каучук. Однако широкая номенклатура синтетических смол ограничивает использование природных материалов. Из искусственных неорганических материалов применяют различные типы стёкол, ситаллов и фарфор. Широко применяются синтетические органические материалы – полиэтилен, тетрафторэтилен, поливинилхлорид, полистирол и многие другие. К материалам второй группы - диэлектрикам, предъявляются несколько иные требования, нежели к электроизоляционным материалам. В частности, диэлектрики, используемые в конденсаторах, должны обладать повышенной диэлектрической проницаемостью, малыми потерями и сохранять достаточные механическую и электрическую прочность для тонких пластин. Из неорганических диэлектриков широко применяются диоксид титана TiO2 (рутил), титанат бария, слюда, различные керамики и плёнки их окислов металлов. Широко используются такие органические материалы, как полистирол, полиэтилен, реже – специальная, конденсаторная бумага толщиной 8-10 мкм. 3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОТНОГО СТЕНДА 3.1. Устройство и принцип работы Стенд предназначен для определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков на двух фиксированных частотах гармонического напряжения - 5 кГц и 20 кГц. В стенде предусмотрена также возможность исследования этих характеристик в зависимости от температуры. Стенд обеспечивает: задание требуемой температуры в рабочей камере термостата по цифровому индикатору; автоматическое регулирование температуры в камере термостата; световую и звуковую индикацию разницы текущей и заданной температур; измерение и цифровую индикацию текущей температуры; измерение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь образца диэлектрика. Стенд состоит из термостата и блока, обеспечивающего измерение электрической емкости и тангенса угла диэлектрических потерь. По результатам измерений вычисляются диэлектрическая проницаемость ε и коэффициент диэлектрических потерь Кп образца. Термостат стенда позволяет поддерживать заданную температуру в рабочей камере, что позволяет исследовать влияние температуры на параметры диэлектрика. Нагрев осуществляется внутри рабочей камеры термостата, в которую помещается приемная кассета с исследуемым диэлектрическим образцом. Конструкция рабочей камеры термостата обеспечивает одинаковую температуру во всем рабочем объеме и равновесие между температурой образца и среды. Измерение, регулирование и поддержание заданного температурного режима осуществляется по показанию термочувствительного платинового элемента, установленного внутри рабочей камеры. Предварительная установка значения требуемой температуры производится ручным регулятором по показаниям цифрового трёхразрядного индикатора. Далее процесс нагревания (или охлаждения) до заданной температуры, а также ее поддержание осуществляется автоматически. Контроль текущего температурного режима относительно заданного осуществляется тремя световыми индикаторами: "Б"- больше; "Н"- норма; "М"- меньше. Кроме этого, в стенде предусмотрена звуковая сигнализация при равенстве текущего и заданного значений температуры. Значение текущей температуры выводится на цифровой трёхразрядный индикатор нажатием кнопки "ИЗМЕР.t°". Объектами исследования могут быть плоские круглые образцы твердых диэлектриков с заранее нанесенными на их поверхности электродами или эластичные (резиноподобные) диэлектрики с нажимными сменными электродами. Расположение электродов на образце и их размеры приведены на рис. 9. Схема подключения электродов приведена на рис. 10. Рис.9. Расположение электродов на образце диэлектрика Рис. 10. Схема подключения электродов образца к измерительному блоку 3.2. Конструкция стенда Термостат и измеритель конструктивно выполнены в виде двух настольных блоков, соединённых кабелем. Внешний вид их передних панелей приведен на рис. 11 и 12. Назначение органов управления и присоединительных разъемов дано под рисунками. На задних панелях расположены разъёмы кабеля сетевого питания, предохранители и клеммы для подключения шины заземления. Рис. 11. Передняя панель термостата 1 - "ИЗМЕР. t˚" - кнопка вывода значения текущей температуры в рабочей камере термостата на цифровой индикатор; 2 - кнопка "СЕТЬ" включения/отключения сетевого питания; 3 - светодиод "Б" - индикация превышения температуры в рабочей камере термостата относительно заданной; 4 - светодиод "Н" - индикация равенства температуры в рабочей камере термостата и заданной; 5 - светодиод "М" - индикация пониженной температуры в рабочей камере термостата относительно заданной; 6 - цифровой трёхразрядный индикатор температуры; 7 - "УСТАНОВКА t°" -регулятор задаваемой температуры нагрева; 8 - приемная кассета для установки образца в рабочей камере; 9 - выход к измерителю; 10 - зажимы для закрепления приемной кассеты в рабочей камере термостата; Рис. 12. Передняя панель измерительного блока 1 - "СЕТЬ"- выключатель питания; 2 - цифровой трёхразрядный индикатор емкости; 3 - световые индикаторы "5 кГц", "20 кГц"- индикация частоты измерительного напряжения; 4 - кнопка выбора частоты измерительного напряжения; 5 - световой индикатор "НЕБАЛАНС"; 6 - цифровой трёхразрядный индикатор тангенса угла диэлектрических потерь; 7 - световой индикатор "ИЗМЕРЕНИЕ"; 8 - кнопка включения измерения; 9 - гнездо "ВХОД"; Приемная кассета термостата выполнена в виде съемного узла и предназначена для подключения электродов диэлектрического образца к измерительной цепи и размещения его в рабочей камере термостата. Электрический контакт с электродами образца осуществляется с помощью двух прижимных винтов. Электрическая схема кассеты приведена на рис. 10, а конструкция - на рис. 13. Рис. 13. Конструкция приёмной кассеты 1 - основание (электрод "Н"); 2 - прижимные винты; 3 - планка; 4 - верхний электрод "В"; 5 - контакт ХТ1; 6 - контакт ХТ2. Контакты ХТ1 и ХТ2 указаны также и на электрической схеме соединений (см. рис. 10). 3.3. Косвенный метод измерения диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь Диэлектрическая проницаемость ε, коэффициент потерь Кп диэлектрика определяются косвенно по следующим соотношениям: ε K = П Ch ε 0S = ε ⋅ tg δ ; (3) , ` (4) где С - ёмкость образца, Ф; h - толщина образца, м; 2 S - площадь круглого электрода, м ; εо- электрическая постоянная, равная 8,85·10 -12 Ф/м ; tgδ- тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика. 3.4. Измеритель емкости и тангенса угла диэлектрических потерь Измеритель выполнен на основе мостовой схемы с автоматическим уравновешиванием. Все функции управления измерительным процессом осуществляет встроенный микропроцессор. Измерение производится после нажатия кнопки 8, расположенной под цифровым индикатором тангенса угла потерь (см. рис. 12). Результат измерения считывается с трёхразрядных цифровых индикаторов после погасания светового индикатора "ИЗМЕРЕНИЕ". Выбор частоты измерительного напряжения производится нажатием соответствующей кнопки. Значение частоты индицируется световыми индикаторами "5 кГц" или "20 кГц". Внимание! Сбой в процессе уравновешивания моста или выход одной из измеряемых величин за диапазон допустимых значений фиксируется световым индикатором "НЕБАЛАНС". В случае появления сигнала "НЕБАЛАНС" необходимо повторить операцию измерения, устранив по возможности причину сбоя. Одной из возможных причин может быть завышенное или заниженное значение ёмкости образца. В этом случае следует выбрать измерительные электроды другого диаметра или изменить толщину образца. 3.5. Указания мер безопасности Перед началом работы со стендом необходимо убедиться, что корпуса термостата и измерителя заземлены. Для этого на задних панелях предусмотрены клеммы защитного заземления, которые должны быть соединены с контуром заземления. Внимание! Опасным для жизни является напряжение сети 220 В, питающей термостат и измеритель. При длительной работе термостата в режиме нагрева свыше 100 ºС запрещается во избежание ожога прикосновение к жалюзи вытяжной вентиляции, расположенной на верхней крышке термостата. 3.6. Подготовка стенда к работе ¾ Оцените состояние поверхности образца на наличие влаги, загрязнения, окисления электродов и при необходимости очистите их. ¾ Извлеките приемную кассету из рабочей камеры термостата, предварительно освободив зажимы 10 (рис 11). ¾ Расположите образец диэлектрика на основании 1 (рис. 13) кассеты, для чего предварительно выкрутите прижимные винты 2 (рис. 13). Если испытывается образец с заранее нанесенными электродами, то роль электрода "Н" выполняет нижний из нанесённых электродов, находящийся в контакте с основанием кассеты. ¾ При использовании нажимного сменного электрода "В", установите его на образец полированной поверхностью. Роль электрода "Н" в этом случае играет проводящая поверхность основания кассеты. ¾ Заверните прижимные винты 2 в планку 3 (рис. 13), используя отверстия в планке таким образом, чтобы обеспечить прижим образца к основанию кассеты и электрический контакт с электродом "В". ¾ Вставьте приемную кассету в рабочую камеру термостата и закрепите ее зажимами 10 (рис. 11). ¾ Соедините выходной шнур кассеты термостата с гнездом "ВХОД" измерителя. ¾ Переведите регулятор "УСТАНОВКА t" термостата в крайнее положение против часовой стрелки. ¾ Включите термостат и измеритель в сеть 220В, 50Гц нажатием кнопок "СЕТЬ". ¾ Выдержите термостат и измеритель во включенном состоянии в течение 10 мин. 3.7. Технические характеристики стенда Стенд имеет следующие характеристики: Диапазон значений измеряемой емкости 20 - 999 пФ Основная погрешность измерения емкости, не более ± (0.05·С +1) пФ Диапазон измеряемых значений tgδ 0 .-. 0,96 Основная погрешность измерения tgδ , не более ± (0.1 tgδ +0.002) Параметры измерительного напряжения на электродах исследуемого образца: амплитуда не более 5 В частота 5 кГц (или 20 кГц) ±10 % Диапазон температуры нагрева термостата от t0 до +150°С Отклонение температуры t в камере термостата от заданной в установившемся режиме не более ±5% Основная погрешность измерения температуры t, не более ± (0,1 t + 1.0)°С Допустимые размеры образцов испытуемых диэлектриков: максимальный диаметр, мм 100 максимальная толщина, мм 2,5 Наработка на отказ, час не менее 1000 Питание стенда осуществляется от сети переменного тока частоты 50 Гц напряжением 220В ± 10 %. 4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 4.1. Цели и задачи Целью работы является изучение электрических характеристик твердых диэлектриков ε и tgδ и их температурных зависимостей, а также приобретение навыков использования современного лабораторного оборудования. В ходе выполнения работы студентам предоставляется возможность самостоятельного решения следующих задач: • освоение современного измерительного оборудования; • подготовка образцов диэлектрических материалов; • измерение основных электрических характеристик твердых диэлектриков. 4.2. Порядок и программа выполнения работы Работа выполняются в следующем порядке: 1. Изучение теоретического материала, имеющего непосредственное отношение к выполняемой работе. Источниками информации являются конспекты лекций, сведения, приведённые в теоретической части настоящих указаний и другие доступные источники (список рекомендуемых источников приведён в конце указаний). 2. Ознакомление с программой выполнения работы, назначением и техническими характеристиками лабораторного оборудования, правилами техники безопасности, приведенными в настоящих методических указаниях. На этом этапе должны быть подготовлены следующие материалы: • функциональная схема установки; • краткое описание назначения и основных характеристик измерительного оборудования; • порядок выполнения измерений; • таблицы для внесения результатов измерений; • необходимые расчётные соотношения. Программа выполнения работы В ходе работы выполняются измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь нескольких образцов диэлектриков. Для неполярных диэлектриков (полиэтилен, тетрафторэтилен и др.) достаточно выполнить измерения при комнатной температуре на двух частотах. Для снижения случайной погрешности в качестве оценок параметров следует использовать средние арифметические значения 5-7 отсчётов, исключая грубые ошибки и «промахи». Для полярных диэлектриков (полиметилметакрилат, лавсан, поливинилхлорид и др.) измерения следует выполнять в диапазоне температур от комнатной t0 до максимально допустимой (для конкретного диэлектрика), но не выше 150°С. При этом значения температуры следует задавать с шагом 5°С. К выполнению работы студенты допускаются только при наличии указанных выше материалов. 9 9 9 9 9 9 3. Выполнение практической части работы в лаборатории, включающей следующие обязательные элементы: получение инструктажа по правилам техники безопасности у преподавателя; препарирование образцов диэлектриков по конкретному заданию преподавателя; размещение образцов в кассете и подготовка оборудования к измерениям; пробные измерения при комнатной температуре и предварительная оценка исследуемых характеристик диэлектрика; проведение серии измерений, обеспечивающих снижение погрешности и получение температурных зависимостей; обсуждение результатов измерений с преподавателем. 4. По результатам измерений каждый студент оформляет отчёт в своей личной тетради, который должен содержать: • материалы, подготовленные перед выполнением работы (см. пункт 2); • результаты измерений и вычислений, представленные в виде таблиц и графиков; • выводы по работе. Внимание! К выполнению следующей работы допускаются только те студенты, которые выполнили отчёт по предыдущей. 4.3. Подготовка образцов диэлектрика Для выполнения измерений исследуемые материалы должны быть подготовлены следующим образом. Образцы пленочных материалов должны иметь форму круга с диаметрами, соответствующими диаметру верхних нажимных электродов (25, 50 и 100 мм). Для исключения возможности короткого замыкания между электродами диаметр образцов должен быть больше диаметра электрода на 3-5 мм. Для уменьшения разброса оценок ε и tgδ образцы должны быть без неоднородностей, а их поверхности - ровными и без видимых механических повреждений в виде царапин, отверстий, складок и т.п. Толщина пленки диэлектрика измеряется в 2-3 точках с помощью микрометра. Наличие влаги и посторонних веществ на поверхности диэлектрика существенно влияют на результаты измерений. Поэтому обе поверхности образца, как и прилегающие к ним поверхности электродов, должны быть чистыми и сухими. При необходимости поверхности обезжириваются ацетоном или спиртом. 4.4. Выполнение измерений Для измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрика при комнатной температуре (начальное значение температуры внутри рабочей камеры термостата) необходимо выполнить следующие действия: 1. Нажмите кнопку "ИЗМЕР.t°" термостата и снимите с цифрового индикатора показание температуры в камере термостата. 2. Установите необходимую частоту измерительного напряжения кнопкой 4 (рис. 12) измерителя. 3. Включите измерение кнопкой 8 (рис. 12); при этом должен засветиться индикатор "ИЗМЕРЕНИЕ". 4. После погасания индикатора "ИЗМЕРЕНИЕ" произведите отсчет значений емкости и тангенса угла диэлектрических потерь по соответствующим цифровым индикаторам. Внимание! Если после погасания индикатора "ИЗМЕРЕНИЕ" засветится "НЕБАЛАНС", измерение необходимо повторить, нажав кнопку 8. индикатор 5. Плавно поворачивая регулятор "УСТАНОВКА t°" по часовой стрелке задайте требуемую температуру в рабочей камере термостата на цифровом индикаторе (рекомендуется повышать температуру ступенями на 5...10°С). 6. Контролируйте нагрев термостата до заданной температуры по состоянию светодиодных индикаторов: "М"- меньше; "Н"- норма; "Б"- больше. 7. При зажигании светодиода "Н" (дублируется звуковым сигналом) необходимо сделать выдержку 2-3 мин для обеспечения установившегося температурного режима внутри рабочей камеры термостата. После наступления установившегося температурного режима повторите измерения (см. п. 1-4). 8. При необходимости измерения можно проводить и в режиме уменьшения температуры в камере термостата от максимальной до комнатной. 9. По измеренным значениям емкости и тангенса угла диэлектрических потерь и с учетом геометрических размеров испытуемого образца вычисляются значения диэлектрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь (см. соотношения 3 и 4). Внимание! После окончания измерений переведите регулятор "УСТАНОВКА t°" термостата в крайнее левое положение против часовой стрелки. Не допускайте длительной работы термостата при температурах свыше 100 °С. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. 2. 3. 4. Богородицкий Н.П. и др./ Электротехнические материалы. Изд. 6-е, перераб.Л.: Энергия, 1977. - 352с. Окадзаки К. Пособие по электротехническим материалам/ Пер. с яп. Под ред. Л.Р. Зайонца. - М.: Энергия,1979. - 432с. Справочник по электротехническим материалам/ Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. -Т.3.- 3-е изд., перераб.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние,1988. -728с. Журавлёва Л.В. Электроматериаловедение. -М.: Изд. центр «Академия»; ИРПО, 2000. - 312с.
