 |
Виды диэлектрических потерь.
|
|
|
|
Для твёрдых диэлектриков характерны два основных вида диэлектрических потерь:
- потери на электропроводность (иначе они называются омическими или потерями сквозной проводимости) обусловлены протеканием через диэлектрик тока сквозной проводимости Iскв;
- релаксационные потери, обусловленные активной составляющей абсорбционного тока Iаб.а.
Потери на электропроводность преобладают в диэлектриках, имеющих заметную поверхностную или объёмную электропроводность. Тангенс угла диэлектрических потерь этого вида уменьшается с возрастанием частоты по гиперболическому закону. Его значение можно вычислить по формуле
. (10)
С увеличением температуры потери сквозной проводимости возрастают по экспоненциальному закону.
Рис. 5. Частотная и температурная зависимость потерь на электропроводность.
Релаксационные потери характерны для диэлектриков, обладающих релаксационными видами поляризации.
Рассмотрим релаксационные потери для случая дипольно-релаксационной поляризации с увеличением температуры тангенс угла диэлектрических, потерь изменяется по кривой с максимумом. При низких температурах из-за большой вязкости диэлектрика возможности поворота диполей ограничены. Время релаксации τ 0 существенно больше периода изменения напряжённости внешнего поля(1/ω), tgδ мал.
При увеличении температуры вязкость среды уменьшается, ориентация диполей облегчается, τ 0 приближается к 1/ω, дипольно-релаксационная поляризация получает большее развитие, tgδ возрастает и достигает максимума при tк.
Дальнейший рост температуры оказывает двоякое влияние на дипольно-релаксационную поляризацию. С одной стороны, вязкость продолжает снижаться, что увеличивает степень ориентации диполей, с другой стороны, усиливается тепловое движение молекул, которое оказывает разориентирующее влияние на диполи, τ 0«1/ω, запаздывание поляризации относительно поля уменьшается, тангенс угла диэлектрических потерь также уменьшается. С повышением частоты максимум tgδ смещается в область более высоких температур. Это объясняется тем, что для большей частоты вязкость при t к ещё слишком высока, и диполи не успевают ориентироваться по полю. Для этого необходимо уменьшить вязкость, следовательно, повысить температуру.
|
|
|
Аналогичный вид имеет частотная зависимость релаксационных потерь. При низких частотах диполи легко ориентируются по полю и tgδ мал.
Рис. 6. Температурная зависимость релаксационных потерь.
Рис. 7. Частотная зависимость релаксационных потерь.
При повышении частоты диполи не успевают следовать за изменением поля, tgδ растет и достигает максимума при f к. Когда же частота становится настолько велика, что τ 0»1/ω, дипольно-релаксационная поляризация выражена очень слабо, значение tgδ мало. С увеличением температуры максимум кривой смещается в высокочастотную область.
С учётом вкладов релаксационного механизма и электропроводности диэлектрика температурные и частотные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь имеют вид кривых, представленных на рисунках 8 и 9.
В таблице 1 приведены значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь для некоторых диэлектрических материалов.
Рис. 8. Температурная зависимость полных диэлектрических потерь.
Рис. 9. Частотная зависимость полных диэлектрических потерь.
Таблица 1. Значения ε и tgδ для некоторых твёрдых диэлектриков.
| Наименование | ε | tgδ |
| Органические диэлектрики | ||
| Неполярные | ||
| Полиэтилен | 2,2-2,3 | 0,0003-0,0004 |
| Полистирол | 2,2-2,3 | 0,0003-0,0004 |
| Фторопласт-4 | 1,9-2,2 | 0,0001-0,0002 |
| Церезин | 0,0002-0,0004 | |
| Полярные | ||
| Поливинилхлорид | 3,5-4,5 | 0,02-0,05 |
| Лавсан | 3,0-3,5 | 0,002-0,05 |
| Полиметилметакрилат | 2,8-3,5 | 0,003-0,02 |
| Фторопласт-3 | 0,01-0,02 | |
| Эбонит | 2,8 | 0,015 |
| Резина | 3-7 | 0,02-0,10 |
| Гетинакс | 6-7 | 0,04-0,08 |
| Неорганические диэлектрики | ||
| Диэлектрики с ионной и электронной поляризацией | ||
| Кварцевое стекло | 4,3 | 0,00026 |
| Слюда | 6,8 | 0,0003 |
| Керамика | ||
| корундовая | 9,4 | 0,00005-0,0008 |
| рутиловая | 0,0003-0,0005 | |
| форстеритовая | 8,5 | 0,0004 |
| брокерит | 0,0003 | |
| Диэлектрики с ионной, электронной и релаксационной поляризацией | ||
| Стекло платиновое | 0,01 | |
| Стекло боросиликатное | 0,002 | |
| Ситаллы | 5-7 | 0,01-0,3 |
| Радиофарфор | 0,004 |
|
|
|
3. Задание к выполнению экспериментальной части.
В практической части работы студентам предлагается выполнить следующие задания.
1. Изучить устройство прибора и методику работы на нём.
2. Определить зависимость ёмкости (С) и tgδ от температуры и частоты для указанных преподавателем материалов.
3. По измеренным значениям ёмкости вычислить значения диэлектрической проницаемости ε.
4. Построить графики зависимости ε и tgδ от температуры и частоты и сделать выводы на основе их анализа.
4. Необходимое оборудование и образцы.
1. Установка для определения С и tgδ, состоящая из термостата (рис.10) и измерителя С и tgδ (рис.11).
2. Набор образцов диэлектрических материалов.
Рис.10. Внешний вид передней панели термостата:
1 - кнопка вывода на цифровой индикатор значения текущей температуры в рабочей камере термостата;
2 - выключатель питания;
3 - индикатор превышения температуры в рабочей камере термостата относительно заданной;
4 - индикатор равенства температур в рабочей камере и заданной;
5 - индикатор пониженной температуры в рабочей камере относительно заданной;
6 - цифровой 3х-разрядный индикатор температуры;
7 - регулятор задаваемой температуры;
8 - приемная кассета для установки образца в рабочей камере;
9 - розетка для подключения тераомметра;
10- зажимы для закрепления кассеты в рабочей камере.
Рис.11. Внешний вид передней панели измерителя ёмкости и тангенса угла диэлектрических потерь:
|
|
|
1 - выключатель питания;
2 - цифровой 3х-разрядный индикатор ёмкости;
3 - индикаторы частоты измерительного напряжения;
4 - кнопка выбора частоты измерительного напряжения;
5 - индикатор "НЕБАЛАНС";
6 - цифровой 3х-разрядный индикатор тангенса угла диэлектрических потерь;
7 - индикатор "ИЗМЕРЕНИЕ";
8 - кнопка включения измерения;
9 - гнездо "ВХОД".
5. Методика и порядок выполнения работы.
Задание 1.
Изучение принципа работы установки для измерения С и tgδ.
Задание 2.
Определение зависимости С и tgδ от температуры и частоты.
1. Получить образцы диэлектрических материалов.
2. Плоский образец толщиной h и площадью S=pr2 разместить между двумя плоскими электродами такой же площади.
3. Поместить образец вместе с электродами в приёмную кассету термостата.
4. В заданном температурном интервале на указанных преподавателем частотах произвести измерение С и tgδ. Полученные данные записать в таблицу. Для этого необходимо проделать следующее.
4.1. Включить термостат и измеритель выключателями "СЕТЬ".
4.2. Нажать, кнопку "ИЗMEP.t" термостата и измерить значение температуры по цифровому индикатору.
4.3. Установить заданную частоту измерительного напряжения f 1 кнопкой 4 рис.11 измерителя.
4.4. Включить измерение кнопкой 8 измерителя. При этом загорается индикатор "ИЗМЕРЕНИЕ".
4.5. После потухания индикатора "ИЗМЕРЕНИЕ" произвести отсчёт значений С и tgδ по соответствующим цифровым индикаторам. Результат записать в Табл.1 Приложения.
ВНИМАНИЕ! Если после потухания индикатора "ИЗМЕРЕНИЕ", загорится индикатор "ДИСБАЛАНС", измерение необходимо повторить.
4.6. Установить заданную частоту измерительного напряжения f 2. Повторить пп. 4.4.-4.5. Результат записать в Табл.1 Приложения.
4.7. Плавно поворачивая регулятор "УСТАНОВКА" по часовой стрелке, задать требуемую температуру нагрева термостата на цифровом индикаторе. Температуру повышать ступенями на 5°С.
4.8. Контролировать нагрев термостата до заданной температуры по состоянию светодиодных индикаторов "М" (меньше), "Н" (норма), "Б" (больше). При зажигании светодиода "Н" (дублируется звуковым сигналом) сделать выдержку 3 мин для обеспечения установившегося температурного режима внутри рабочей камеры термостата. После наступления установившегося температурного режима провести измерения по пп. 4.2.-4.5.
|
|
|
4.9. При необходимости измерения можно проводить в режиме охлаждения от установленной максимальной температуры.
4.10. После окончания измерений перевести регулятор "УСТАНОВКА t" термостата в крайнее положение против часовой стрелки.
Задание 3.
Вычисление значений ε.
По измеренным значениям ёмкости образца рассчитать диэлектрическую проницаемость, используя формулу для плоского конденсатора:
,
где h - толщина образца;
С - ёмкость;
S - площадь сечения;
ε 0 - диэлектрическая постоянная, ε 0=8,85·10-12 ф/м.
Полученные данные записать в Табл.1 Приложения.
Задание 4.
Построение графиков зависимостей ε и tgδ от t и f, их анализ и выводы по работе.
6. Требования к отчету по выполненной работе.
Отчёт составляется каждым студентом в соответствии с порядком выполнения всех заданий. Форма отчета приводится в приложении.
7. Контрольные вопросы.
1. Виды поляризации.
2. Физический смысл диэлектрической проницаемости.
3. Температурно-частотная зависимость диэлектрической проницаемости.
4. Классификация диэлектриков по механизмам и видам поляризации.
5. Диэлектрические потери, их характеристики и виды.
6. Температурно-частотные зависимости tgδ для разных видов диэлектрических потерь.
7. Принцип действия прибора для измерения С и tgδ и его схема.
8. Литература.
1. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники. М.: Высшая Школа, 1986.- 376 с.
2. Богородицкий Н.П., Пасынков ВВ., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. Л.: Энергоатомиздат, 1985.- 304с.
3. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергия 1982.- 302 с.
4. Вульф Б.К. Диэлектрические материалы. М.: МИЭМ, 1974.- 254 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
|
|
|
