Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им А.Н.Туполева

ОТЧЁТ

о выполнении лабораторной работы № 1

по курсу «Материалы и компоненты электронных средств»

«Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость»

Казань- 2012

Цель работы: изучение явления поляризации в диэлектриках, воздействия частоты приложенного электрического поля и температуры на величины диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь.

1. Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость

поляризация диэлектрический проницаемость

При воздействии на диэлектрик электрического поля в нем протекает процесс поляризации - ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация вдоль поля дипольных молекул и возникновение дипольного момента. Состояние диэлектрика при этом оценивается количественно с помощью вектора электрического смещения , который связан с напряженностью электрического поля соотношением

где - абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества, Ф/м;

- абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, ф/м;

- относительная диэлектрическая проницаемость вещества.

Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора тех же размеров и притом же напряжении, диэлектриком которого является вакуум. Относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только в случае вакуума.

В зависимости от строения, состава и структуры диэлектрика различают два основных вида поляризации:

Первый вид поляризации совершается в диэлектрике мгновенно и без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла. Второй вид поляризации нарастает и убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляризации называется релаксационной поляризацией.

К мгновенной поляризации относятся электронная и ионная; остальные механизмы относятся к релаксационной поляризации (дипально-релаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релаксационная, миграционная и самопроизвольная).

Технический диэлектрик сложного состава и его структура могут одновременно обладать несколькими видами поляризации.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов. Образование упругих диполей происходит мгновенно. Время установления электронной поляризации ничтожно мало и составляет Величина смещения электронов невелика, что обусловливает низкую относительную проницаемость веществ Такую поляризацию в чистом виде имеют неполярные вещества, например, неполярные жидкости: бензол, нефтяное масло; неполярные твердые диэлектрики: сера, парафин, полиэтилен, фторопласт - 4 и т.д.

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии, но в некоторых случаях на нее накладываются другие виды поляризации.

Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением (каменная соль, керамика) и обусловливается смещением упруго связанных ионов под действием внешнего электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость лежит в широких пределах

Дипольная поляризация свойственна полярным газам, жидкостям и твердым органическим веществам. Время установления дипольной поляризации

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов.

Электронно-релаксационная поляризация возникает за счет возбужденных тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Такой вид поляризации наблюдается для диэлектриков с высоким показателем преломления, электронной проводимостью, ряда соединений на основе окислов металлов переменной валентности (титан, висмут, ниобий).

Миграционная (структурная) поляризация - дополнительный механизм поляризации, характерна для твердых тел неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей (гетинаксы, текстолита, слюда и др.).

2. Классификация диэлектриков по виду поляризации

По особенностям поляризации все диэлектрики можно подразделить на четыре группы.

К первой группе относятся диэлектрики, обладающие только электронной поляризацией, например, неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях С парафин «сера, полистирол), а также неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород и др.).

Ко второй группе относятся диэлектрики, обладающие одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями - полярные органические, полужидкие и твердые вещества (эпоксидные смолы, целлюлоза и т.п.).

Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поляризацией (слюда, каменная соль, фарфор и т.п.).

Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, характеризующиеся спонтанной, электронной, ионной и электронно-ионно-релаксационной поляризациями (сегнетова соль и т.д.).

Диэлектрические потери в диэлектриках

При воздействии на диэлектрик электрического поля часть энергии поля в диэлектрике переходит в тепло и вызывает нагрев диэлектрика. Эта, часть энергии, рассеиваемая в диэлектрике в единицу времени при воздействии на диэлектрик электрического поля называется диэлектрическими потерями. Диэлектрические потери в материале можно характеризовать удельными потерями (рассеиваемая мощность в единице объема диэлектрика), углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на , при этом угол будет равен нулю, а в реальном диэлектрике угол отклонения отличается от прямого на угол . Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз и больше угол диэлектрических потерь и его функция

3. Виды диэлектрических потерь

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

1. Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией. Данный вид потерь наблюдается в веществах, обладающих релаксационной поляризацией. Релаксационные диэлектрические потери вызываются на рушение теплового движения частиц под влиянием приложенного электрического поля, что и приводит к рассеянию энергии и нагреву диэлектрика. К этому виду потерь относятся также резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при световых частотах.

2. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную электропроводность.

3. Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии и твердым диэлектрикам с газообразными включениями.

4. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры, наблюдаются в слоистых диэлектриках, пористой керамике, в пластмассах о наполнителем и т.д.

Диэлектрические потери и диэлектрическая проницаемость в значительной мере зависят от температуры и частоты приложенного поля. Характер температурно-частотных зависимостей определяется природой диэлектрика.

4. Описание лабораторной установки

Для определения и при измерениях на переменном напряжении широкое распространение получили мостовые методы.

В данной работе для измерения диэлектрических параметров используется мост переменного тока F57I типа МИШ. Мост предназначен для измерения емкости, добротности и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот от 40' до 10000 Гц. Мост является лабораторным прибором, предназначенным для работы при температуре окружающего воздуха от и относительной влажности до при температуре

В работе используются две рабочие схемы моста для определения диэлектрических параметров (рис. 1).

Рисунок 1

Соответствующая принципиальная схема приведена на рис. 2.

В качестве плавнорегулируемых. отсчетных плеч моста служат сопротивления и

Рисунок 2

Изменение пределов моста производится изменением плеч и Сопротивление в схеме для измерения емкости служит для уравновешивания тангенса угла диэлектрических потерь

Регулировка моста по емкости производится сопротивлением плеча .

Сопротивление в обоих схемах является плечом сравнения, изменяющимся скачкообразно, и состоит из образцовых катушек сопротивления.

Переключение сопротивлений и образцовых емкостей в плечеобеспечивает перекрытие всего диапазона измерений при пределах. Для уменьшения погрешностей в схеме введена симметрирующая ветвь, воспроизводящая оба отсчетные плеча. Средняя точка этой ветви соединена с "землей". Симметрирующая ветвь присоединена к вершинам моста, в которые подается напряжение питания. Питание моста осуществляется от встроенного генератора Ф678, имеющего регулировку частоты и напряжения. Питание от генератора подведено через разделительный трансформатор, встроенный в мост. Основная рабочая частота 1000 Гц включается непосредственно установкой рукоятки генератора на соответствующее фиксируемое положение (красные цифры).

Указателем равновесия служит встроенный индикатор нуля типа Ф550, имеющий регулировку частоты и чувствительности.

Основная рабочая частота 1000 Гц соответствует установке на поддиапазоне

Конструктивно мост выполнен в виде стойки, объединяющей в себе три блока: собственно мост, индикатор нуля и питающий генератор. Все блоки соединены между собою экранированными проводниками (кабелями).

Все рукоятки регулировки индикатора нуля и питающего генератора выведены на их лицевые панели. Лицевая панель собственно моста для удобства работы имеет наклон к вертикали На панели расположены три ряда рукояток.

Верхний ряд рукояток (три переключателя и реох6рд)предназначен для регулирования и отсчета емкости.

В этом ряду по указателям рукояток получают прямой отсчет измеряемой величины с запятой (светящийся сигнал), указывающей число целых знаков. Размерность отсчета дает указатель переключателя пределов в окне среднего ряда справа.

В среднем ряду, кроме переключателя пределов, расположен схемособирающий переключатель.

Схемособирающий переключатель изменяет присоединение образцового емкостного плеча (из последовательного в параллельное), переключая одновременно ж магазин сопротивлений этого плеча.

Равная величина номинального сопротивления в схемах параллельного и последовательного включения обусловливает наличие двух магазинов.

Нижний ряд рукояток обеспечивает регулировку по или , в зависимости от включенной схемы.

Переключатели верхнего и нижнего ряда имеют по одиннадцать фиксированных положений.

В среднем ряду левый переключатель имеет только два положения, соответствующие параллельной или последовательной эквивалентным схемам замещения, измеряемой величины.

Правый переключатель в среднем ряду имеет круговое вращение на 18 положений, из которых 7 положений - для измерения емкостей, 7 - для измерения индуктивностей, а 4 промежуточных положения использованы для разделения включений.

Диэлектрическую проницаемость определяют по формуле

где - емкость испытуемого образца, Ф;

- толщина испытуемого образца, м;

- площадь электрода, м.

Отчет

Размещено на Allbest.ru