Исследование электрических свойств диэлектрических материалов

Министерство образования Российской Федерации

Владимирский государственный университет

Факультет радиофизики, электроники и медицинской техники

Кафедра конструирования и технологии радиоэлектронных средств

Лабораторная работа №3

по дисциплине «Материаловедение и материалы ЭС»

Исследование электрических свойств диэлектрических материалов

Выполнил студент гр. РЭ-101

Проверил

Владимир 2003

1. Цель работы

Изучение зависимости основных электрических свойств диэлектрических материалов от их строения, температуры и частоты.

2. Исходные данные

Диэлектрики: фторопласт-3, полиэтилен. Обкладки конденсаторов – фольга.

3. Краткие теоретические сведения

Диэлектрики – это твёрдые, жидкие и газообразные вещества с высоким удельным электрическим поверхностным и объёмным сопротивлением, обладающие способностью к поляризации.

Поляризация – это изменение расположения в пространстве имеющих электрические заряды частиц диэлектрика. В зависимости от вида заряда, расстояния, на которое он способен перемещаться, времени, затрачиваемого на поляризацию, различают четыре её механизма.

Электронная поляризация – смещение орбит электронов относительно атомных ядер. При электронной поляризации происходит упругое смещение на очень малые расстояния частиц с предельно малой массой, что и обусловливает её безынерционность.

Ионная поляризация – упругое смещение на небольшое (в сравнении с параметром решётки) расстояние относительно друг друга ионов, образующих молекулу. Наблюдается у диэлектриков ионного строения. Время установления ионной поляризации около 10^-13с.

Дипольная поляризация – ориентация в электромагнитном поле полярных молекул или групп атомов диэлектрика. Носит неупругий, релаксационный характер из-за расходования энергии поля на преодоление взаимодействия молекул и силы трения при повороте диполей.

Миграционная поляризация – неупругое перемещение слабосвязанных примесных ионов на расстояния, превышающие параметр решётки (часто до границ зёрен). Закономерности для поляризации по миграционному механизму те же, что и для дипольной поляризации.

При выборе диэлектрических материалов элементов РЭС необходимо учитывать зависимость их основных электрических свойств и прежде всего – диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь – от температуры и частоты.

Диэлектрическая проницаемость (ε) – это физическая величина, характеризующая способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) – определяет ту долю электрической энергии, которая необратимо переходит в теплоту (теряется в диэлектрике) за один период колебаний электрического поля.

4. Механизмы поляризации

Фторопласт-3 является полярным материалом (т.е. его молекулы без воздействия внешнего электрического поля имеют дипольный момент), а полиэтилен – это неполярный материал (т.е его частицы не имеют постоянного дипольного момента).

В неполярных полимерных диэлектриках имеет место преимущественно электронная поляризация, в полярных, кроме электронной, могут быть дипольная и миграционная. Под действием электрического поля может происходить смещение участков цепи молекулы – сегментов; это так называемая дипольно-сигментальная поляризация. Смещение полярных групп атомов, находящихся в основной цепи или боковых цепях макромолекулы, проявляется как дипольно-груповая поляризация. Миграционная поляризация в исследуемых материалах не наблюдается (в основном присуща композиционным материалам).

5. Теоретические зависимости

Свободные заряды, концентрация которых в металле очень велика, легко перемещаются под действием электрического поля и спустя малое время создают обратное поле, полностью компенсирующее внешнее. Поле в объёме металла равно нулю, т.е. равна нулю диэлектрическая проницаемость (ε) металла. Значит, свойства обкладок не скажутся на зависимостях диэлектрической проницаемости изоляции конденсатора от температуры и частоты, которые будут определяться материалом диэлектрика.

У неполярных диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость слабо зависит от температуры, уменьшаясь при повышении последней вследствие теплового расширения вещества, т.е. уменьшения количества поляризующихся молекул в единице объема вещества (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости полиэтилена от температуры.

У полярных диэлектриков в области низких температур, когда вещество обладает большой вязкостью или даже находится в кристаллическом состоянии, ориентация дипольных молекул невозможна или, во всяком случае, затруднена. При повышении температуры возможность ориентации диполей облегчается, вследствие чего относительная диэлектрическая проницаемость существенно возрастает. Однако при еще более высоких температурах вследствие усиления хаотических тепловых колебаний молекул степень упорядоченности ориентации молекул снижается, поэтому ε, пройдя через максимум, уменьшается (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости фторопласта-3 от температуры.

Так как время установления электронной поляризации весьма мало, то даже при наиболее высоких частотах, применяемых в современной электротехнике и радиоэлектронике, поляризация неполярных диэлектриков успевает полностью установиться за время, которое пренебрежимо мало по сравнению с полупериодом переменного напряжения. Поэтому ε неполярных диэлектриков не зависит от частоты (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости полиэтилена от частоты.