![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Казань 2012
Определение диэлектрических свойств полимеров Методические указания к лабораторной работе Казань 2012 УДК 678-036(075.8)
Определение диэлектрических свойств полимеров: Методические указания к лабораторной работе /Э.Р.Галимов, Ф.Н.Куртаева, А.В.Черноглазова, Ю.И.Сударев. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та. 2012. 16 с.
Рассматриваются диэлектрические свойства полимерных материалов, приводится описание лабораторной установки для определения этих свойств и методика проведения испытаний. Предназначены для студентов, бакалавров, магистров по дисциплине «Физические основы исследования неметаллических материалов» по направлению 150100.62 «Материаловедение и технология новых материалов».
Табл. Ил. Библиогр. назв.
Рецензенты: И.А.Абдуллин д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Химии и технологии гетерогенных систем» Казанского национального исследовательского технологического университета.
Р.Р.Хамматов главный металлург ОАО «КМПО»
Цель работы: изучение диэлектрических свойств полимерных конструкционных материалов; явления поляризации и ее ви- дов в диэлектриках, воздействия температуры на величины диэлек- трической проницаемости и диэлектрических потерь, определение тем- пературного коэффициента диэлектрической проницаемости.
НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Электрические свойства полимеров определяют их поведение в электрическом поле. Характер поведения полимеров в электричес- ком поле определяется такими характеристиками, как диэлектричес- кая проницаемость и диэлектрические потери, электропроводность (или электрическое сопротивление) и электрическая прочность. Электрические свойства зависят от химического строения и физичес- кого состояния полимеров, условий эксплуатации и испытаний и, в частности, от частоты и амплитуды напряженности внешнего поля, температуры, влажности среды, конструкции эдектродов и геометри- ческих размеров испытуемого образца. Изучение электрических свойств полимеров проводят для оценки их эксплуатационных ка- честв и определения химического строения и структуры. По электрическим свойствам полимеры подразделяются на ди- электрики, полупроводники и электропроводящие материалы. К диэлектрикам относится большинство полярных и неполярных полимеров. Они имеют большое объемное сопротивление и ничтож- но малую электрическую проводимость. Полярные диэлектрики со- держат электрические диполи, способные к ориентации во внешнем электрическом поле. К полупроводникам относятся полимеры с системой сопряжен- ных связей и полимерные комплексы с переносом заряда. К полупроводникам относятся полимеры с системой сопряжен- ных связей и полимерные комплексы с переносом заряда. Электропроводящие материалы представляют собой диэлектрики с введенными в них тонкодисперсными электропроводящими на- полнителями (например, техническим углеродом, графитом и поро- шкообразными металлами). Электрические свойства определяют также появление у полярных полимеров электретного эффекта, характеризующего способность длительное время находиться в наэлектризованном состоянии, что используется, например, в источниках постоянного тока. -3-
Поляризация диэлектриков и диэлектрическая проницаемость При воздействии на диэлектрик электрического поля в нем протекает процесс поляризации - ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация вдоль поля дипольных молекул и возникновение дипольного момента. Состояние диэлектрика при этом оценивается количественно с помощью вектора электрического смещения где ства, Ф/м; абсо абсолюабсолютная диэлектрическая проницаемость вакуу- ма, ф/м; - - относи Относительная диэлектрическая проницаемость веще-
ства. Относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора тех же размеров и при том же напряжении, диэлектриком которого является вакуум. Относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только в случае вакуума. В зависимости от строения, состава и структуры диэлектрика разли- чают два основных вида поляризации. Первый вид поляризации совершается в диэлектрике мгновенно без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла. Второй вид поляризации нарастает и убывает замедленно и сопровождается рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагреванием. Такой вид поляризации называется релаксационной поляризацией. К мгновенной поляризации относятся электронная и ионная: остальные механизмы относятся к релаксационной поляризации (ди- польно-релаксационная, ионно-релаксационная, электронно-релакса- ционная, миграционная и самопроизвольная. Технический диэлектрик сложного состава и его структура могут одновременно обладать несколькими видами поляризации. Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов. Образование упругих
-4-
диполей происходит мгновенно. Время установления электронной по- ризации ничтожно мало и составляет 10 - -14 – 10- -15 с. Величина смеще- ния электронов невелика, что обусловливает низкую относительную прони- цаемость веществ (έ = 2 – 2, 5). Такую поляризацию в чистом виде имеют неполярные вещества, например, неполярные жидкости: бензол, нефтяное масло; неполярные твердые диэлектрики: сера, пара- фин, полиэтилен, фторопласт - 4 и т.д. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии, но в некоторых случаях на нее накла- дываются другие виды поляризации. Ионная поляризаци (каменная соль, керамика) и обусловливается смещением упруго связ- анных ионов под действием внешнего электрического поля. Время уста- новления ионной поляризаций 10-13 Диэлектрическая проницаемость имеет широкий диапазон. Дипольно-релаксационная поляризация определяется поворотом и ориентацией диполей в направлении поля и связана с тепловым движением частиц. Дипольнне молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, поворачиваются и ориентируются в направлении действующего поля, создавая эффект поляризации диэлектрика. Поворот диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопротивления, что является причиной потери энергии. Дипольная поляризация свойственна полярным газам, жидкостям и твердым органическим веществам. Время установления дипольной поляризации 10-6-10-8с. Ионно-р елаксацион ная поляризация наблюдается в неорганических стеклах и в некоторых ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионов.Слабо связанные ионы вещества под воздействием внешнего электрического поля среди хаотических тепловых перебросов получают избыточные перебросы в направлении поля. Такие ионы в тепловом движении могут перемещаться на расстояния, значительно превышающие упругие смещения. Электронно - релаксационная поляризация возникает за счет возбуж- денных тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок. Такой вид поляризации наблюдается для диэлектриков с высоким пока- зателем преломления, электронной проводимостью, ряда соединений на основе окислов металлов переменной валентности (титан, висмут, нио- бий). Миграционная (структурная) поляризация - дополнительный механизм поляризации, характерна для твердых тел неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей (гетинаксы, тек-столиты, слюда и др.).
- 5 –
Причинами такой поляризации являются проводящиеи полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью и т.п.
Самопроизвольная (спонтанная) поляризация существует в сегнетоэлек-триках. В веществах с самопроизвольной поляризвцией имеются отдельные области (домены), в которых даже без приложения электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение зарядов в пределах доменов, при этом ориентации электрических моментов в доменах различны. Наложение электрического поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов доменов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации. Время установления спонтанной поляризации 10–7-10 – 9 с. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для вешеств с самопроизвольной поляризацией (некоторые виды керамики) имеет резко выраженный максимум при определенной температуре, которая называется температурой (точкой) Кюри. В области температур выше точки Кюри спонтанная поляризация исчезает и теряются сегнетоэлектрические свойства материала и в отличие от других видов поляризации при некотором значении напряженности внешнего поля наступает насыщение и исчезает зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности поля. Классификация диэлектриков по виду поляризации По особенностям поляризации все диэлектрики можно подразделить на несколько групп.. К первой группе относятся диэлектрики, обладающие только электронной поляризацией, например, неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях С парафин «сера, полистирол), а также неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород и др.). К второй группе относятся диэлектрики, обладающие одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями - полярные органи- ческие, полужидкие и твердые вещества (эпоксидные смолы, целлюлоза и т.п.) Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с эле- ктронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поляризацией (слю- да, каменная соль, фарфор и т.п.). Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, характеризующиеся спонтанной, электронной, ионной и алектронно--ионно- релаксационной поляризациями (сегнетова соль и т.д.).
- 6 -
Диэлектрические потери в диэлектриках При воздействии на диэлектрик электрического поля часть энергии поля в диэлектрике переходит в тепло и вызывает нагрев диэлектрика. Эта часть энергии, рассеиваемая в диэлектрике в единицу времени при воздействии на диэлектрик электрического поля называется диэлектрическими потерями. Диэлектрические потери в материале можно характеризовать удельными потерями (рассеиваемая мощность в единице объема диэлектрика), углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла. Углом диэлектрических потерь опережает вектор напряжения на Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению. Реальный диэлектрик, находящийся между электродами, можно уподобить схемам соединения идеального конденсатора с активным сопротивлением. На рис.1 представлены векторные диаграммы и эквивавалентные схемы диэлектрика с потерями. Эти схемы выбираются с таким расчетом, чтобы активная мощность, расходуемая в данной схеме, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а ток опережал напряжение на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе. Угол потерь не зависит от выбора схемы. Рассмотренные эквивалентные схемы не дают полного объяснения механизма диэлектрических потерь и вводятся только условно.
Природа диэлектрических потерь в диэлектриках различна. Диэлектрические потери могут обусловливаться малыми по величине токами сквозной проводимости, или токами утечки, возникающими в технических диэлектриках из-за наличия в них небольшого числа свободных зарядов. Диэлектрические потери обусловливаются замедленной поляризацией вследствие возникновения токов смещения или абсорбционных токов. Явление запаздывания поляризации зависит от времени релаксации полярных молекул, времени переброса ионов в тепловом движении и является основой диэлектрических потерь. При постоянном напряжении, приложенном кдиэлектрику диэлектрические потери обусловлены явлением сквозной проводимости. Токи сквозной проводимости имеют малое значение и зависят преимущественно от содержания примесей. Поэтому при воздействии на диэлектрик постоянного напряжения диэлектрические потери будут незначительны. При переменном напряжении рассеивание энергии происходит не только вследствие некоторой электропроводности диэлектрика, но также из-за наличия активных составляющих поляризационных токов. В технических диэлектриках, помимо потерь от сквозной электропроводности и потерь от замедленной поляризации, возникают по- Природа диэлектрических потерь в диэлектриках различна. Диэлектрические потери могут обусловливаться малыми по величине токами сквозной проводимости, или токами утечки, возникающими в технических диэлектриках из-за наличия в них небольшого числа свободных зарядов. Диэлектрические потери обусловливаются замедленной поляризацией вследствие возникновения токов смещения или абсорбционных токов. Явление запаздывания поляризации зависит от времени релаксации полярных молекул, времени переброса ионов в тепловом движении и является основой диэлектрических потерь. При постоянном напряжении, приложенном к диэлектрику, диэлектрические потери обусловлены явлением сквозной проводимости. Токи сквозной проводимости имеют малое значение и зависят преимущественно от содержания примесей. Поэтому при воздействии на диэлектрик постоянного напряжения диэлектрические потери будут незначительны. При переменном напряжении рассеивание энергии происходит не только вследствие некоторой электропроводности диэлектрика, но также из-за наличия активных составляющих поляризационных токов. В технических диэлектриках, помимо потерьот сквозной электропро-водности и потерь от замедленной поляризации, возникают потери, обусловленные наличием посторонних проводящих или полупроводящих включений углерода, окислов железа и т.д. В случае высоких напряжений потери в диэлектрике возникают вследствие ионизации газовых включений внутри диэлектрика.
Виды диэлектрических потерь Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида. 1. Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией. Данный вид по- терь наблюдается в веществах, обладающих релаксационной поляризацией. Релаксационные диэлектрические потери вызываются нарушением теплового движения частиц под влиянием приложенного электрического поля, что и приводит к рассеянию энергии и нагреву диэлектрика. К этому виду потерь относятся также резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при световых частотах. 2. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную электропроводность. 3. Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газо- образном состоянии и твердым диэлектрикам с газообразными включениями. 4. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры, Диэлектрические потери и диэлектрическая проницаемость в значительной мере зависят от температуры и частоты приложенного поля. Характер температурно-частотных зависимостей έ и tgδ определяется природой диэлектрика.
Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты У нейтральных диэлектриков изменение частоты вызывает, как правило, лишь незначительное изменение величины έ Влияние же изменения частоты приложенного напряжения на диэлектрическую проницаемость полярных диэлектриков может быть весьма существенно. На рис.2 представлена зависимость έ от частоты для полярной жидкости (совола). В начальный период величина диэлектрической проницаемости соответствует диэлектрической проницаемости, определенной при постоянном напряжении.
Когда частота становится настолько большой, что молекулы не успевают следовать за изменениями поля, диэлектрическая проницаемость уменьшается. С дальнейшим увеличением частоты ориентация диполей прекращается, в результате чего дипольная поляризация исчезает и величина диэлектрической проницаемости έ ∞ определяется лишь электронной поляризацией. Частота fо при которой начинается снижение έ определяется по фор k T муле: fо = ---------- 8π η r3 где: k - постоянная Больцмана = 1, 38054 х 10 – 23 дж/ град -1, η - динамическая вязкость, Т - температура, r - радиус молекулы. Зависимость диэлектрических потерь от частоты
Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры Температурная зависимость диэлектрической проницаемости обычно характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости, которая определяется из выражения:
Данная формула позволяет вычислить относительное изменение диэлектрической проницаемости при повышении температуры на один градус. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры неполярных диэлектриков определяется уменьшением числа молекул в единице объема в результате теплового расширения диэлектриков. При переходе диэлектрика под влиянием температуры в жидкое или газообразное состояние его диэлектрическая проницаемость уменьшается скачкообразно (рис.4). У диэлектриков с дипольными молекулами зависимость диэлектрической проницаемости от температуры проявляется значительно резче и характе- ризуется наличием максимума (рис. 5).
С увеличением температуры молекулярные силы ослабевают, вязкость вещества понижается и диэлектрическая проницаемость возрастает. При дальнейшем увеличении температур возрастает энергия теплового движения молекул, хаотическое движение молекул становится интенсивнее и уменьшается ориентирующее влияние поля, что и приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости. Зависимость диэлектрических потерь от температуры В неполярных диэлектриках диэлектрические потери невелики и обусловлены только электропроводностью
этих диэлектриках существенно зависят от температуры: при некоторых температурах обнаруживаются максимум и минимум потерь. При низких температурах вязкость жидкости достаточно велика, молекулы не успевают следовать за изменением поля и дипольная поляризация практически исчезает; диэлектрические потери малы. Увеличение Описание лабораторной установки Для определения В данной работе для измерения диэлектрических параметров используется мост переменного тока F57I типа МИШ. Мост предназначен для измерения емкости, добротности и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот от 40' до 10000 Гц. Мост является лабораторным прибором, предназначенным для работы при температуре окружающего воздуха от до В работе используются две рабочие схемы моста для определения диэлектрических параметров(рис.7 и8): схема 1- для измерения емкости в эквивалентной схеме последовательного замещения; схема 2 - для измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь в эквивалентной схеме параллельного замещения.
Установка: ИЗМЕРИТЕЛЬ ЕМКОСТИ ЦИФРОВОЙ Е8- 4
Соответствующие принципиальные схемы приведены на рис.7. В качестве плавнорегулируемых. отсчетных плеч моста служат сопротивления Изменение пределов моста производится изменением плеч Регулировка моста по емкости производится сопротивлением плеча Сопротивление Переключение сопротивлений Указателем равновесия служит встроенный индикатор нуля типа Ф550, имеющий регулировку частоты и чувствительности. Основная рабочая частота 1000 Гц соответствует установке Конструктивно мост выполнен в виде стойки, объединяющей в себе три блока: собственно мост, индикатор нуля и питающий генератор. Все блоки соединены между собою экранированными проводниками (кабелями). Все рукоятки регулировки индикатора нуля и питающего генератора выведены на их лицевые панели. Лицевая панель собственно моста для удобства работы имеет наклон к вертикали Верхний ряд рукояток (три переключателя и реох6рд)предназначен для регулирования и отсчета емкости. В этом ряду по указателям рукояток получают прямой отсчет измеряемой величины с запятой (светящийся сигнал), указывающей число целых знаков. Размерность отсчета дает указатель переключателя пределов в окне среднего ряда справа. В среднем ряду, кроме переключателя пределов, расположен схемособирающий переключатель. Схемособирающий переключатель изменяет присоединение образцового емкостного плеча (из последовательного в параллельное), переключая одновременно ж магазин сопротивлений этого плеча. Разная величина номинального сопротивления в схемах параллельного и последовательного включения обусловливает наличие двух магазинов. Нижний ряд рукояток обеспечивает регулировку по
Переключатели верхнего и нижнего ряда имеют по одиннадцать фиксированных положений. В среднем ряду левый переключатель имеет только два положения, соответствующие параллельной или последовательной эквивалентным схемам замещения, измеряемой величины. Правый переключатель в среднем ряду имеет круговое вращение на 18 положений, из которых 7 положений - для измерения емкостей, 7 - для измерения индуктивностей, а 4 промежуточных положения использованы для разделения включений. Методика проведения испытаний 1. Установить все рукоятки на панелях генератора и индикатора в положения, согласно их правилам пользования. Установить требуемую частоту. Рукоятку регулировки напряжения генератора поста 2. Рукоятки моста установить: в верхнем ряду (отсчет С) и нижнем ряду (отсчет Q, 1/tgδ, -в среднем ряду: левый переключатель в положение, соответствующее выбранной схеме замещения, а правый - в одно из положений измерения 3. Подсоединить измеряемый образец. 4. Включить шнур питания стойки в сеть 50 Гц 220 В (или 127 В). При этом загорается одна из ламп знака " запятая". После пятиминутного прогрева рукоятку регулировки выхода генератора перевести вправо (в среднее положение)._ 5. мост уравновешивать при помощи рукояток верхнего и среднего ряда, начиная с левых (более грубая регулировка), постепенно переходя к правым. Уравновешивать следует рукоятками верхнего и нижнего рядов, постепенно увеличивая чувствительность схемы рукояткой В том случае, если для достижения равновесия моста все рукоятки верхнего ряда требуется устанавливать в положение Если же рукоятки в верхнем ряду стремятся к набору " О", следует переключатель пределов повернуть влево. Рекомендуется производить измерения на таком пределе, когда набор в верхнем ряду будет наибольшим. В отдельных случаях, при недостаточной чувствительности схемы, можно увеличить напряжение генератора. 6. Измеренное значение емкости прочитывается в окнах верхнего ряда переключателей. Число целых знаков отсчета отделяется за Диэлектрическую проницаемость определяют по формуле где
7. Измеренное значение множитель в окне переключателя пределов. Для испытания применяются плоские (круглые или квадратные) образцы размером (диаметром кругa или стороной квадрата) он Для получения зависимостей используется вакуумный сушильный шкаф. Измеряемые образцы помещаются в термокамеру и термостабилизируются при соответствующей температуре 20 минут. Измерение диэлектрических параметров начинают с комнатной температуры. Повышая температуру через каждые Для получения зависимостей напряжения повторяют измерения частотах, указанных преподавателем. Оформление отчета I. В отчете по лабораторной работе результаты измерений и расчета свести в таблицу и на основании полученных экспериментальных данных построить графики зависимостей тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости диэлектриков различной природы и структуры от частоты приложенного электрического поля и температуры при основной рабочей частоте 1000 Гц. 2. Провести анализ полученных экспериментальных данных и объяснить механизм явлений, происходящих в диэлектриках при изменении температуры и частоты электрического поля, Определить, к какой группе материалов относится исследуемый диэлектрик (полярный, неполярный)и каковы его структурные особенности. Дать определение диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь и объяснить их физический смысл. 3. Определить температурный коэффициент диэлектрической проницаемости при определенной температуре методом графического дифференцирования кривой
Дать определение температурного коэффициента диэлектрической проницаемости и объяснить физический смысл. При выполнении и сдаче лабораторной работы необходимо знать следующие разделы программы: - Явление поляризации при воздействии на диэлектрики электрического поля. Основные виды поляризации диэлектриков и классификация диэлектриков по виду поляризации. - Диэлектрические потери в диэлектриках. Виды диэлектрических потерь. - Частотно-температурная зависимость диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь диэлектриков.
|