Мiнiстерство освiти i науки Украни

ОДЕСКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛIТЕХНIЧНИЙ

УНIВЕРСИТЕТ



МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до лабораторних робіт з дисциплiни

“МАТЕРІАЛИ ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ”

для студентiв спецiальностi 7.080402



Затверджено

на засiданнi кафедри

інформацiйних технологiй

проектування в електронiцi i

телекомунiкацiях



Протокол № 1 от 29.08.06 р.



Одеса ОНПУ 2006



Методичні вказівки до лабораторних робіт по дисципліні "Матеріали електронної техніки" для студентів спеціальності 7.080402 /Авт.: В.С.Миронов. – Одеса: ОНПУ, 2006. – 33 с.



Автор: В.С.Миронов,

ст. викл.



Лабораторна робота № I



ВИМІР ДІЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРОНИКНОСТІ Й ТАНГЕНСА

КУТА ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ВТРАТ ДЕЯКИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ



Ціль роботи - ознайомитися з основними параметрами, властивостями й областями застосування основних пасивних й активних діелектриків.



([I], с. 182-193, 200-211; [2], с. 16-30, 43-57)



Методика проведення експерименту



Діелектрична проникність і тангенс кута діелектричних втрат виміряються за допомогою універсального моста змінного струму типу Е7-11, спрощена схема якого зображена на рис. 1.1. В основі виміру лежить принцип виміру ємності конденсатора мостовим методом. З досліджуваного матеріалу виготовляється плоский або циліндричний конденсатор, геометричні розміри якого наведені в табл. 1.1. Знаючи співвідношення між ємністю конденсатора і його геометричних розмірів, можна розрахувати відносну діелектричну проникність досліджуваного матеріалу.

Ємність плоского конденсатора

(1.1)



де - відносна діелектрична проникність; 0 = 8, 8510-12 Ф/м - діелектрична постійна; S - площа діелектрика; d - товщина діелектрика.

Ємність плоского конденсатора, що складається з набору пластин,



EMBED Equation.3 HYPER14HYPER15 (1.2)



де п - число обкладинок.

Ємність циліндричного конденсатора

(1.3)



де l - довжина конденсатора; D, d - відповідно зовнішній і внутрішній діаметр.



Таблиця 1.1



п/п

Діелектрик

Товщина, мкм

Розмір обкладок, мм

Розрахункова формула

Cx,

пФ



tg



1

Фторопласт-4

20

15(650

(1.1)



2

Полістирол

20

14(140

(1.1)



3

Слюда



50

4(12,

n = 12

(1.2)



4

Кераміка



D = 6,4 мм;

d = 5,9 мм;

l = 25 мм

(1.3)



5

Поліетілен-терефталат (лавсан)

10

6(150

(1.1)



6

Папір

20

8(140

(1.1)



7

Сегнетокера-міка HK-2



1500

Діаметр

25 мм;

n = 4

(1.2)



Таким чином, визначення діелектричної проникності зводиться до виміру ємності конденсатора й обчисленню її по відповідних співвідношеннях.

Балансуючи міст резистором R0 по реактивною складовою й резистором Rотс по активній складовій, домагаються мінімального струму, що тече через діагональ моста, у яку включений гальванометр. При рівновазі моста виконуються співвідношення



Відлік значень Cx й tg виробляється безпосередньо по шкалі приладу.



Хід роботи



Приєднати плату з досліджуваними діелектриками до рознімання в термостаті.

Поставити перемикач "Вибір зразка" у положення I. При цьому буде підключений перший діелектрик (згідно табл. 1.1).

Установити перемикачі на приладі Е7-11 у наступні положення

а) " L, C, R-, R=" - у положення "С";

б) "Q < 0,5, Q > 0,5, tg" - у положення "tg ";

в) "Частота" - у положення "1000 Гц";

г) "Предел" - у положення "1 нФ".

Крім того, необхідно шкалу "tg" зафіксувати в нульовому значенні, а ручку "Чутливість" - у положенні, що відповідає 100%.

Вибрати потрібний предел виміру. Для цього потрібно нажати кнопку "Вибір пределу" й, обертаючи ручку "Предел", міняти встановлений предел доти, поки знак фази напруги розбалансу не зміниться на протилежний або не стане рівним нулю.

Відпустивши кнопку "Вибір пределу", зрівноважити міст перемикачем "Множник" до одержання мінімального значення струму по гальванометрі. Потім обертанням плавної шкали "Множник" знайти положення, при якому мінімум стане ще менше. Зменшити струм індикатора розбалансу обертанням шкали "tg". Регулювання повторюються при поступовому збільшенні чутливості моста. При малій чутливості відбувається загрублення результатів виміру, а при великий - важко зафіксувати мінімальне значення струму розбалансу. Значення чуйності, що рекомендується, - 30...50%. Відлік виробляється безпосередньо по шкалі приладу "tg". Відлік ємності виконується множенням отриманого по шкалі результату на відповідний множник шкали "Предел". Наприклад, відлік ємності 0,345, множник 10 нФ, тоді Сx = 10(0,345 = 3,45 нФ = = 3450 пф.

Вибрати на стенді за допомогою перемикача "Вибір зразка" другій діелектрик і повторити пп. 3-5. І так далі для всіх семи зразків.



Завдання до лабораторної роботи



Виміряти значення ємності й тангенса кута діелектричних втрат для семи діелектриків.

Розрахувати значення діелектричної проникності для всіх зразків, використовуючи (1.1)-(1.3).

Зрівняти отримані значення діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат з довідковими даними по цих матеріалах.

Дати коротку характеристику досліджуваних матеріалів і вказати області їхнього застосування.

Зробити висновки про якість досліджуваних діелектриків.



Теоретичні відомості.



I. Діелектричні матеріали



Діелектриками називають речовини, яки мають ширину забороненої зони більше 3 еВ, що сприяє їхньому високому опору й поляризації під дією електричного поля. Діелектрики характеризуються пружними зв'язками зарядів, електронів й ядер в атомах, атомів й іонів у молекулах. Така структура молекул у діелектриках обумовлює електричний зсув і поляризацію зарядів під дією сил електричного поля (рис. 1.2). Діелектрики характеризуються діелектричною проникністю, тангенсом кута діелектричних втрат, питомим опором й електричною міцністю.



2. Поляризація діелектриків



Основний процес у діелектрику, що виникає під дією електричного поля, - поляризація: зсув зв'язаних зарядів або орієнтація дипольних молекул. Поляризуємість - величина зсуву атома, молекули або іона. Кількісною характеристикою поляризації служить поляризованість







де M - електричний момент деякого об'єму діелектрика.

Поляризованість діелектрика залежить від напруженості зовнішнього електричного поля:





де D - вектор електричного зсуву; a - абсолютна діелектрична проникність, Ф/м;

а = 0,



де 0 = 8,8610-12 Ф/м - діелектрична постійна вакууму; - відносна діелектрична постійна.

Кількість накопиченого в поляризованому діелектрику заряду пропорційно ємності й напрузі:

Q = C U,

причому

Q = Q0 + Qд,



де Q0 - заряд при вакуумі між електродами; Qд - заряд у діелектрику.

Тоді відносна діелектрична проникність являє собою співвідношення





т. е. > 1.

Фізично це відбиває тот факт, що електричне поле при внесенні в нього діелектрика може тільки послабитися. Із цієї причини відносна діелектрична проникність завжди більше одиниці.



3. Види поляризації діелектриків



Розрізняють десять видів поляризації. Вони діляться на дві основні групи:

1) миттєва поляризація, що відбувається в діелектрику практично миттєво й без виділення теплоти;

2) релаксаційна поляризація, що відбувається уповільнено в часі й супроводжується розсіюванні енергії в діелектрику.

До першої групи ставляться електронна й іонна поляризація, а всі інші - до другої.

I. Електронна поляризація являє собою пружний зсув і деформацію електронних оболонок атомів до іонів, характерна для всіх діелектриків і не пов'язана із втратами енергії. Час поляризації - ~10-15 с. Після зняття електричного поля електронна поляризація зникає. Тому що поляризація визначається пружно