Лабораторная работа № 25. Исследование свойств конденсаторных материалов. Описание установки. Основные понятия и определения

Лабораторная работа № 25

Исследование свойств конденсаторных материалов

Описание установки

Испытательная установка состоит из пульта и цифрового моста, 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...C5, 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 измерителю емкости.

В положении переключателя «С₀» измеряется емкость проводников, соединяющих образцы в термостате с измерительным прибором.

В качестве измерителя емкости может быть применен любой прибор, позволяющий измерять емкость с точностью до десятых долей пикофарады. Часто такие приборы позволяют измерять не только емкости образцов, но и потери в них, характеризуемые значениями tg δ.

В данной работе использован цифровой прибор, предназначенный для измерения емкости и tg δ на определенной фиксированной частоте.

Основные понятия и определения

К конденсаторным материалам относят материалы, применяемые в качестве рабочего диэлектрика в конденсаторах. К основным параметрам конденсатора относят емкость С, температурный коэффициент емкости α_с и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ. Значения этих параметров во многом обусловлены свойствами используемого диэлектрического материала, основными характеристиками которого являются относительная диэлектрическая проницаемость ε и температурный коэффициент диэлектрической проницаемости α_ε.

Относительная диэлектрическая проницаемость характеризует способность различных диэлектриков поляризоваться в электрическом поле: ε = С_д/С₀, где С_д – емкость конденсатора с диэлектриком; С₀– емкость того же конденсатора в вакууме.

Поляризация может быть вызвана упругим смещение и деформацией электронных оболочек под действием поля (электронная поляризация), ориентацией дипольных молекул (дипольно-релаксационная поляризация), смещением ионов (ионная и ионно- релаксационная поляризация). Электронная и ионная поляризации устанавливаются практически мгновенно. Остальные механизма 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 пояризованностью.

В общем случае диэлектрическая проницаемость зависит от температуры и частоты 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 механизмами поляризации и проявляются в области достаточно высоких частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля.

Полные потери в участке изоляции с емкостью С при воздействии напряжения U с угловой частотой ω

P_a = U²ωCtgδ,

где δ – угол диэлектрических потерь.

Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкости 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 его функция tg δ. Параметр tg δ характеризует способность диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле. Он безразмерный, не зависит от формы и размеров участка изоляции, а определяется только свойствами диэлектрика.

Параметр tg δ определяет диапазон частот, в котором возможно использование конденсатора с данным диэлектриком

При измерениях диэлектрической проницаемости и tg δ на промышленной и звуковых частотах обычно используют мостовые схемы, а для измерений в диапазоне радиочастот наибольшее распространение получили резонансные методы

Емкость конденсатора С 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 выражением:

(5.1)

где ε₀= 8,85-10^-12Ф/м - электрическая постоянная; ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – площадь электродов, h- толщина диэлектрика, заключенного между электродами.

В случае квадратных электродов S=l², где l – сторона квадрата.

Как следует из выражения (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 α_Cотражает отклонение емкости, обусловленное изменением температуры и, следовательно, характеризует температурную стабильность емкости конденсатора. Общее определение этого параметра соответствует выражению:

α_C= (1/C)·(dC/dТ) (5.2)

Дифференцируя выражения (5.1) по переменной Т, где Т-температура; S=l², получим:

dC/dТ= ε₀[ (l²/h)·(dε/dТ) + (2εl/h)·(dl/dТ) – (εl²/h²)·(dh/dТ) ] (5.3)

Разделив левую и правую часть выражения (5.3) на левую и правую часть выражения (5.1), придем к выражению:

(1/C)·(dC/dТ) = (1/ε)·(dε/dТ) + (2/l)·(dl/dТ) – (1/h)·(dh/dТ),

или

α_C= α_ε+ 2α_lм–α_lд,

где α_ε, α_lми α_lд – температурные коэффициенты относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика, линейного расширения металла электродов и линейное расширение диэлектрика соответственно.

В металлизированных твердотельных конденсаторах, где в качестве электродов используют тонкий слой металл, нанесенный непосредственно на твердый диэлектрик, в этом случае изменение размеров электродов будет определяться линейным расширением диэлектрика, а не металла. И тогда можно считать α_lм = α_lд, а температурный коэффициент емкости определяется выражением:

α_с = α_ε + α_lд. (5.4)

Характер температурной зависимости емкости конденсатора определяется механизмами поляризации рабочего диэлектрика, а параметр α_с 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 α_ε.

Различают высокочастотные и низкочастотные конденсаторные материалы. В качестве высокочастотных применяются неполярные полимеры, ионные диэлектрики с плотной упаковкой ионов. На высоких частотах в этих диэлектриках определяющую роль играют мгновенные виды поляризации - электронная или ионная. Потери энергии в этом случае обусловлены в основном потерями на электропроводность.

Неполярные диэлектрики имеют малые значения тангенса угла диэлектрических потерь tg δ, который растет при увеличении температуры по экспоненциальному закону.

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 повышенным значение tg δ, но обладают весьма высокой диэлектрической проницаемостью, что позволяет изготавливать на их основе конденсаторы большой емкости с малыми габаритами.

В настоящей работе исследуются параметры металлизированных конденсаторов, в которых в качестве рабочего диэлектрика используются диэлектрические материалы с различными видами поляризации и механизмами диэлектрических потерь.

12 Следующая ⇒