Министерство образования и науки Украины

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ



МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по дисциплине

“МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ”

для студентов специальности 7.080402



Утверждено

на заседании кафедры

информационных технологий

проектирования в электронике и

телекоммуникациях



Протокол № 1 от 29.08.06 р.



Одесса ОНПУ 2006



Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Материалы электронной техники" для студентов специальности 7.080402 /Авт.: В.С.Миронов. – Одесса: ОНПУ, 2006. – 48 с.



Автор: В.С.Миронов,

ст. преп.



Лабораторная работа №І



ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА

УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ НЕКОТОРЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ



Цель работы – ознакомиться с основными параметрами, свойствами и областями применения основных пассивных и активных диэлектриков.



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



Методика проведения эксперимента



Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь измеряются с помощью универсального моста переменного тока типа Е7-11, упрощенная схема которого изображена на рис. 1.1. В основе измерения лежит принцип измерения емкости конденсатора мостовым методом. Из исследуемого материала изготовляется плоский или цилиндрический конденсатор, геометрические размеры которого приведены в табл. 1.1. Зная соотношение между емкостью конденсатора и его геометрическими размерами, можно рассчитать относительную диэлектрическую проницаемость исследуемого материала.

Емкость плоского конденсатора



(1.1)



где – относительная диэлектрическая проницаемость; 0 = 8,8510-12 Ф/м диэлектрическая постоянная; S – площадь диэлектрика; d – толщина диэлектрика.

Емкость плоского конденсатора, который состоит из набора пластин,



(1.2)



где п – число обкладок.

Емкость цилиндрического конденсатора



(1.3)



где l – длина конденсатора; D, d – соответственно внешний и внутренний диаметр.



Таблица 1.1



№ п/п

Диэлектрик

Толщина, мкм

Размер обкладок, мм

Расчетная формула

Cx,

пФ



tg



1

Фторопласт-4

20

15(650

(1.1)



2

Полистирол

20

14(140

(1.1)



3

Слюда



50

4(12,

n = 12

(1.2)



4

Керамика



D = 6,4 мм;

d = 5,9 мм;

l = 25 мм

(1.3)



5

Полиэтилен-терефталат (лавсан)

10

6(150

(1.1)



6

Бумага

20

8(140

(1.1)



7

Сегнетокера-мика HK-2



1500

Диаметр

25 мм;

n = 4

(1.2)



Таким образом, определение диэлектрической проницаемости сводится к измерению емкости конденсатора и вычислению ее по соответствующим соотношениям.

Балансируя мост резистором R0 по реактивной составляющей и резистором Rотс по активной составляющей, добиваются минимального тока, который течет через диагональ моста, в которую включен гальванометр. При равновесии моста выполняются соотношения





Отсчет значений Cx и tg высчитывается непосредственно по шкале прибора.



Ход работы



Присоединить плату с исследуемыми диэлектриками к разъему в термостате.

Поставить переключатель "Выбор образца" в положение 1. При этом будет подключен первый диэлектрик (согласно табл. 1.1).

Установить переключатели на приборе Е7-11 в следующие положения:

а) " L, C, R-, R=" - в положение "С";

б) "Q < 0,5, Q > 0,5, tg" - в положение "tg";

в) "Частота" - в положение "1000 Гц";

г) "Предел" - в положение "100 нФ".

Кроме того, необходимо шкалу "tg" зафиксировать в нулевом значении, а ручку "Чувствительность" – в положении, которое отвечает 100%.

Выбрать нужный предел измерения. Для этого нужно нажать кнопку "Выбор предела" и, переключая переключатель "Предел", менять установленный предел до тех пор, пока знак фазы напряжения разбаланса не изменится на противоположный или не станет равным нулю.

Отпустив кнопку "Выбор предела", уравновесить мост переключателем "Емкость" для получения минимального значения тока по гальванометру. Потом вращением плавной шкалы "Емкость" найти положение, при котором минимум станет еще меньше. Уменьшить ток индикатора разбаланса вращением шкалы "tg". Регулировку повторяют при постепенном увеличении чувствительности моста. При малой чувствительности происходит загрубление результатов измерения,а при большой –тяжело зафиксировать минимальное значение тока разбаланса. Значение чувствительности, которая рекомендуется, - 30...50%. Отсчет снимается непосредственно по шкале прибора "tg". Отсчет емкости выполняется умножением полученного по шкале результата на соответствующий множитель шкалы "Предел". Например, отсчет емкости 0,345, множитель 10 нф, тогда Сx = 10(0,345 = 3,45 нФ = = 3,4510-9 Ф.

Выбрать на стенде с помощью переключателя "Выбор образца" второй диэлектрик и повторить пп. 3-5. И так далее для всех семи образцов.



Задание к лабораторной работе



1. Измерить значение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь для семи диэлектриков.

2. Рассчитать значение диэлектрической проницаемости для всех образцов, используя (1.1) - (1.3).

3. Сравнить полученные значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь со справочными данными по этим материалам.

4. Дать краткую характеристику исследуемых материалов и указать области их применения.

5. Сделать выводы о качестве исследуемых диэлектриков.



Теоретические сведения.



1. Диэлектрические материалы



Диэлектриками называют вещества, которые имеют ширину запрещенной зоны больше 3 эВ, что способствует их высокому сопротивлению и поляризации под действием электрического поля. Диэлектрики характеризуются упругими связями зарядов, электронов и ядер в атомах, атомов и ионов в молекулах. Такая структура молекул в диэлектриках обуславливает электрический сдвиг и поляризацию зарядов под действием сил электрического поля (рис.1.2).

Диэлектрики характеризуются диэлектрической проницаемостью, тангенсом угла диэлектрических потерь, удельным сопротивлением и электрической прочностью.



2.Поляризация диэлектриков



Основной процесс в диэлектрике, который возникает под действием электрического поля - поляризация: сдвиг связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

Поляризуемость – величина сдвига атома, молекулы или иона. Количественной характеристикой поляризации служит поляризованность







где M – электрический момент некоторого объема диэлектрика.

Поляризованность диэлектрика зависит от напряженности внешнего электрического поля:



ED Equation.3 HYPER14HYPER15



где D – вектор электрического сдвига; a –абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м;

а = 0,,



где 0 = 8,8610-12Ф/м – диэлектрическая постоянная вакуума; – относительная диэлектрическая проницаемость.

Количество накопленного в поляризованном диэлектрике заряда пропорционально емкости и напряжению:



Q = C U,

причем

Q = Q0 + Qд,



де Q0 - заряд при вакууме между электродами; Qд - заряд в диэлектрике.

Тогда относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой соотношение





т.. > 1.



Физически это обозначает тот факт, что электрическое поле при внесении в него диэлектрика может только ослабиться. По этой причине относительная диэлектрическая проницаемость всегда больше единицы.



3. Виды поляризации диэлектриков



Различают десять видов поляризации. Они делятся на две основные группы:

1) мгновенная поляризация, которая происходит в диэлектрике практически мгновенно (10-13 – 10-15 с) и без выделения теплоты;

2) релаксационная поляризация, которая происходит замедленно во времени и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике.

К первой группе относятся электронная и ионная поляризация, а все другие – ко второй.

1. Эле