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 С 1... C 5, 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 Сопределяется 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.

Исходные данные

Испытатель-ная темпе-ратура t, °С	Испытуемые образцы
	«1»		«2»		«3»		«4»		«5»
	Неорганическое стекло		Слюда		Тиконд		Полипропилен		Сегнетокерамика
	c1, пФ	tg	c2, нФ	tg	c3, пФ	tg	c4, нФ	tg	c5, нФ	tg
22	1637,6	0,005	1,71	0,0537	1506,6	0,007	2,399	0,0605	2,302	0,0574
32	1638,7	0,0041	1,711	0,0542	1486,8	0,007	2,392	0,0606	4,083	0,0566
46	1639,1	0,0041	1,712	0,0542	1469,3	0,0073	2,386	0,0607	5,36	0,084
58	1639,8	0,0041	1,712	0,0544	1447,1	0,0077	2,375	0,0607	14,773	0,1176
64	1640,5	0,004	1,713	0,0545	1436,6	0,0079	2,366	0,0607	9,615	0,0475
68	1640,2	0,0038	1,714	0,0545	1431,6	0,0079	2,363	0,0608	7,752	0,0487
70	1641	0,0036	1,713	0,0546	1427,4	0,008	2,36	0,0608	6,787	0,0499
74	1641,2	0,0037	1,713	0,0547	1423,6	0,0079	2,357	0,0608	6,063	0,0786
76	1641,5	0,0036	1,714	0,0547	1420,3	0,008	2,355	0,0608	5,366	0,0731
82	1641,5	0,0036	1,717	0,0547	1414,7	0,008	2,35	0,0608	4,467	0,0608
88	1641,6	0,0036	1,714	0,0548	1409	0,0083	2,345	0,0608	3,74	0,0621