Praca instrukcja 2 LIM - Zakład Inżynierii Materiałowej

Praca instrukcja 2 LIM - Zakład Inżynierii Materiałowej

Laboratorium Inżynierii Materiałowej / Fizyki 2
Ćwiczenie nr 2
Materiały elektroizolacyjne i kondensatory
1. Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych zjawisk zachodzących w dielektrykach.
W części teoretycznej, przedstawiono pojęcia z zakresu przewodnictwa elektrycznego, polaryzacji
dielektryków oraz właściwości i zastosowań materiałów elektroizolacyjnych.
Część praktyczna zawiera:
wyznaczanie rezystywności i konduktywności skrośnej wybranych
materiałów elektroizolacyjnych,
wyznaczanie przenikalności względnej wybranych dielektryków stałych.
2. Wiadomości teoretyczne.
Dielektrykami są ciała stałe, ciekłe i lotne, które w swej strukturze, przy braku zewnętrznych bodźców
jonizujących, nie zawierają ładunków swobodnych.
Charakteryzują się:
1. Rezystywnością większą od 106 Ωm.
2. Szerokością pasma zabronionego większą od 5 eV.
W dielektryku nie występuje przewodzenie elektronowe, jak ma to miejsce w metalach. Przewodzenie ma
charakter jonowy. Jest zależne od liczby jonów w jednostce objętości oraz ich ruchliwości. Wielkości te są
zależne od natężenia pola elektrycznego oraz czynników dysocjujących. Stosuje się je jako materiały
izolacyjne w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych (między innymi w komputerach), w celu
odizolowania poszczególnych części od siebie i od obudowy, a także w kondensatorach jako wypełnienie
przestrzeni między przewodzącymi okładzinami.
Najważniejszymi parametrami elektrycznymi dielektryków są:
rezystywność skrośna,
rezystywność powierzchniowa,
przenikalność elektryczna względna,
współczynnik strat dielektrycznych.
Znajomość powyższych parametrów jest niezbędna w ocenie przydatności tych materiałów do zastosowań
technicznych.
W idealnym dielektryku (pozbawionym defektów i zanieczyszczeń) nie występują swobodne ładunki
elektryczne. Natomiast w dielektryku rzeczywistym z powodu zjonizowanych atomów zanieczyszczeń a także
defektów punktowych (Schottky`ego i Frenkla), ładunki takie występują. Jednakże ich koncentracja w
warunkach normalnych jest na tyle mała, że nie mają one decydującego wpływu na własności elektryczne
dielektryka. Tak więc, o własnościach elektrycznych dielektryka decydują głównie ładunki związane, np.
dodatnie i ujemne jony w kryształach jonowych, a także stałe dipole elektryczne, które występują w
dielektrykach o asymetrycznej budowie molekuł, np. HCl, NH3, H2O.
2.1 Dielektryk w polu elektrycznym.
Pod względem elektrycznym cząsteczki dielektryka dzielą się na:
cząsteczki niepolarne,
cząsteczki polarne.
W cząsteczkach niepolarnych środki „ciężkości” ładunków dodatnich pokrywają się ze środkami ładunków
ujemnych. Są to najczęściej cząsteczki o wiązaniach kowalencyjnych i symetrycznej budowie. W
cząsteczkach polarnych środki „ciężkości” ładunków dodatnich i ujemnych nie pokrywają się. Należą do nich
cząsteczki o wiązaniach jonowych i cząsteczki o wiązaniach kowalencyjnych o niesymetrycznej strukturze.
Taki układ dwóch ładunków q, przeciwnego znaku, znajdujących się w pewnej niewielkiej odległości l
nazywa się dipolem elektrycznym (rys.1).
-q
+q
p
l
Rys.1. Dipol elektryczny.
Z pojęciem tym związany jest moment dipolowy.
p = ql
(1)
Jest to wielkość wektorowa o zwrocie wektora od ładunku ujemnego do ładunku dodatniego.
W zewnętrznym polu elektrycznym cząsteczki niepolarne i polarne zachowują się odmiennie. W cząsteczkach
niepolarnych pole elektryczne powoduje sprężyste rozsunięcie środków ładunków dodatnich i ujemnych, a w
konsekwencji wytworzenie indukowanego momentu dipolowego.
W cząsteczkach polarnych pole elektryczne orientuje (porządkuje) trwałe dipole elektryczne
w kierunku pola. Zespół zjawisk związanych z działaniem pola elektrycznego na obojętne elektrycznie
cząsteczki niepolarne i polarne nazywa się polaryzacją elektryczną.
Ogólnie można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje polaryzacji:
1). sprężystą (deformacyjną, indukowaną), do której zalicza się,
• polaryzację elektronową (rys.2a),
• polaryzację jonowo indukowaną (rys.2b),
2). relaksacyjną (orientacyjną), do której zalicza się:
• polaryzację dipolową(rys.2c),
• polaryzację jonowo-relaksacyjną,
• polaryzację makroskopową.
a)
E≠0
E=0
⊕
⊕
⊕
b
)
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
⊕
c)
Rys.2. Schematyczny obraz trzech mechanizmów polaryzacji
a) elektronowej; b) jonowej; c) dipolowej
Polaryzacja elektronowa występuje we wszystkich dielektrykach i trwa bardzo krótko (rzędu 10-15s).
Zewnętrzne pole elektryczne powoduje przesunięcie powłok elektronowych względem jądra atomu.
Towarzyszące polaryzacji odkształcenie jest całkowicie sprężyste, tzn. praca konieczna do jego powstania
zostaje zmagazynowana w polu elektrycznym. Powstałe dipole mają charakter indukowany. Po usunięciu
zewnętrznego pola polaryzacja elektronowa natychmiast zanika.
Polaryzacja jonowo indukowana występuje tylko w ciałach krystalicznych o budowie jonowej. Polega na
przesunięciu sprężystym różnoimiennych jonów w cząsteczce, pod wpływem pola elektrycznego. Ze względu
na dużą masę jonów w stosunku do masy elektronów czas polaryzacji jonowej jest dłuższy i wynosi
około10-13s.
Polaryzacja dipolowa występuje w dielektrykach, których cząsteczki mają charakter trwałych dipoli.
Zachodzi w gazach, cieczach i i ciałach stałych. Najkrócej trwa w gazach , najdłużej w ciałach stałych W
procesie polaryzacji relaksacyjnej, pod wpływem pola elektrycznego cząsteczki dipolowe dążą do zajęcia
położenia wzdłuż linii sił pola. Po usunięciu pola elektrycznego cząstki powracają do stanu równowagi
termicznej, który charakteryzuje się chaotyczną orientacją dipoli. Czas polaryzacji dipolowej może zawierać
się w bardzo szerokich granicach (10-14 – 1010 ) s.
Polaryzacja jonowo – relaksacyjna występuje w dielektrykach o budowie bezpostaciowej, zawierających
cząsteczki o wiązaniach jonowych.
Polaryzacja makroskopowa (ładunku przestrzennego) zachodzi w dielektrykach, w których istnieje pewna
liczba ładunków swobodnych, mogących przemieszczać się pod wpływem pola elektrycznego.
Skutkiem polaryzacji jest zmniejszenie się natężenia pola elektrycznego wewnątrz dielektryka.
Makroskopowe własności dielektryków opisuje wielkość fizyczna nazywana przenikalnością elektryczną ε.
Rozpatrzmy układ dwóch elektrod płasko równoległych podłączony do zacisków źródła
napięcia stałego U(rys.3).
a)
b)
E0
E
q0
-q0
q
+
+
+
+
-
+
+
+
+
-q
-
+
+
+
+
-
U
U
Rys.3. Układ elektrod płasko równoległych:
a) przedzielonych próżnią, b) przedzielonych dielektrykiem
Jeśli układ elektrod umieścimy w próżni lub w niezjonizowanym powietrzu (rys.3a), to na elektrodach
zgromadzi się ładunek qo. Pojemność elektryczna takiego układu jest wówczas równa,
C0 =
q0
U
(2)
Pojemność Co układu można nazwać „pojemnością geometryczną”. Jeśli zaś przestrzeń pomiędzy
elektrodami wypełniona zostanie dielektrykiem (rys.3b), następuje jego polaryzacja w polu elektrycznym,
istniejącym pomiędzy elektrodami. Na jego powierzchniach w obszarze styku elektroda-dielektryk pojawią
się ładunki. Muszą one zostać skompensowane dodatkowym ładunkiem na elektrodach ∆q. Wówczas ładunek
na elektrodach będzie równy q = qo+∆q, a pojemność układu z dielektrykiem,
C=
q
U
(3)
C=
q 0 + ∆q
U
(4)
lub inaczej,
Ładunek q na elektrodach w układzie z dielektrykiem jest większy od ładunku q0 na elektrodach układzie
próżniowym (lub w powietrzu), wobec tego C > Co, zaś iloraz
εr =
C
C0
(5)
nazywa się przenikalnością elektryczną względną dielektryka.
Wartość przenikalności elektrycznej zależy od czynników zewnętrznych, takich jak wilgotność, czy
temperatura. W zmiennym polu elektrycznym przenikalność elektryczna zależy także od częstotliwości zmian
pola elektrycznego. W polu elektrostatycznym lub w polach wolnozmiennych przenikalność elektryczna jest
wielkością rzeczywistą, natomiast w polach szybkozmiennych wygodnie jest posługiwać się pojęciem
zespolonej przenikalności elektrycznej.
(6)
εˆ = ε ′ − jε ′′ ,
gdzie ε ′ jest względną przenikalnością elektryczną (εr), zaś ε ′′ jest czynnikiem strat. Miarą opóźnienia
zmian polaryzacji dielektryka w stosunku do zmian pola elektrycznego jest tangens kąta strat
tgδ =
ε ′′
ε′
(7)
Przenikalność bezwzględna dielektryka określona jest zależnością
ε = ε Oε '
(8)
gdzie:
εo – stała elektryczna (przenikalność próżni) - εo = 8,854∗10-12 F/m
Ponieważ dielektryki niepolarne i polarne zachowują się odmiennie w zmiennym polu elektrycznym, również
podstawowa wielkość charakteryzująca własności elektryczne dielektryka, przenikalność elektryczna w
funkcji częstotliwości ma dla każdego inny przebieg.
Dla dielektryka niepolarnego (rys.4)
Dla dielektryka polarnego (rys. 5)
ε’ε”
ε’ ε ”
ε’
ε’
ε”
f
Rys.4. Zależność ε ’ i ε ’’ od częstotliwości pola f.
ε”
f
Rys.5. Zależność ε ’ i ε ’’od częstotliwości pola f.
2.2. Zjawisko przewodnictwa elektrycznego w dielektrykach stałych.
W dielektrykach rzeczywistych krystalicznych źródłem swobodnych nośników ładunku są defekty punktowe,
Frenkla, Schottky’ego oraz jony pochodzące z domieszek (zanieczyszczeń).
W kryształach jonowych w węzłach sieci znajdują się różnoimienne jony. Pod wpływem pobudzenia
cieplnego część tych jonów może przejść do przestrzeni międzywęzłowej. Dzięki takiemu procesowi powstaje
para prawie swobodnych nośników: jon międzywęzłowy i puste miejsce w węźle tzw. luka (wakans). Ta
para nośników nazywa się defektem cieplnym Frenkla (rys.6b).
3
2
1
a
b
c
Rys.6.
Sieć krystaliczna: a- idealna; b-z defektem Frenkla; c- z defektem Schottky’ego;
1-luka defektu Frenkla; 2-jon międzywęzłowy; 3-defekt Schottky’ego (luka)
.
Możliwy jest przypadek gdy część jonów węzłowych pobudzonych cieplnie przechodzi na powierzchnię
kryształu (rys.6c). Utworzone w ten sposób luki węzłowe (tzw. defekty Schottky’ego) dyfundują wewnątrz
kryształu podobnie jak luki defektów Frenkla
2.2.1 Prądy w dielektryku.
Zjawisko przewodnictwa elektrycznego w ciałach stałych polega na ruchu (dryfie) swobodnych nośników
ładunku pod wpływem pola elektrycznego.
Gęstość płynącego prądu określona jest iloczynem konduktywności i natężenia pola elektrycznego,
j=γE
(9)
W przypadku istnienia jednego rodzaju nośników, konduktywność γ dielektryka można przedstawić,
γ=qnµ
(10)
gdzie:
q – ładunek nośnika,
n – koncentracja objętościowa – liczba nośników w jednostce objętości materiału (1/m3),
µ- ruchliwość nośników – iloraz prędkości dryfu i natężenia pola elektrycznego (m2/Vs).
Włączenie źródła napięcia stałego U do nienaładowanego kondensatora z dielektrykiem bez ładunku
elektrycznego między okładkami, spowoduje krótkotrwały wzrost prądu do wartości maksymalnej a następnie
zmniejszenie do wartości ustalonej iu. Prąd płynący przez kondensator jest sumą trzech prądów:
ic – ładowania,
ia – absorpcji,
iu - upływu,
i = ic + i a + iu
(11)
Prąd ładowania ic związany jest z polaryzacją sprężystą.
Prąd upływu iu spowodowany ruchem ładunków swobodnych (jonów i elektronów), ma stałą wartość
niezależną od czasu t. Prąd upływu wytwarza straty w dielektryku, które w całości zmieniają się w ciepło.
Prąd absorpcji ia, jest związany z polaryzacją relaksacyjną i w przypadku dielektryka z jednym relaksatorem
można go przedstawić za pomocą równania,
 t
ia = I a exp − 
 τ
(12)
gdzie:
Ia – prąd początkowy absorpcji,
τ – stała czasowa relaksacji.
i
i
ia
iu
t
Rys.7.
Przebieg prądu i, płynącego przez dielektryk, po załączeniu napięcia stałego.
W stanie ustalonym pod wpływem przyłożonego napięcia, przez dielektryk płynie tylko niewielki prąd
upływu iu. Prąd płynący przez dielektryk stały jest sumą prądu przewodzenia skrośnego i prądu płynącego po
powierzchni dielektryka. (rys8.).
2
1
3
+
4
Rys.8.
Drogi przepływu prądu przez dielektryk
1 - dielektryk, 2 - elektrody, 3 – prąd skrośny IV, 4 – prąd powierzchniowy IS
W związku z takim podziałem prądu upływu zostały wprowadzone pojęcia:
rezystywność skrośna ρv jednostka (Ωm ),
rezystywność powierzchniowa ρs jednostka (Ω).
Rezystywność charakteryzuje w sposób ilościowy, zdolność materiału do przewodzenia prądu elektrycznego.
W przypadku dielektryków, rezystywność jest podstawowym parametrem, charakteryzującym właściwości
izolacyjne. Jest również pomocna w ocenie stanu materiału, np. stopnia degradacji, czy zawilgocenia.
Rezystywność skrośną ρv definiuje się jako iloraz stałego pola elektrycznego E i gęstości prądu ustalonego Jvu
płynącego wewnątrz dielektryka natężenia,
ρV =
E
J VU
(13)
W praktyce rezystywność skrośną określamy jako rezystancję skrośną odniesioną do jednostki objętości
próbki,
S
h
ρV = RV
(14)
gdzie:
S – efektywna powierzchnia elektrody pomiarowej,
h – grubość badanego dielektryka,
RV – rezystancja skrośna określona na podstawie pomiaru.
Rezystywność skrośną ρv mierzy się metodą pośrednią, przez pomiar rezystancji skrośnej, powierzchni
elektrody pomiarowej i grubości próbki. Rezystywność skrośna jest cechą materiałową.
Rezystywność powierzchniową ρs definiuje się jako iloraz natężenia stałego pola elektrycznego E i gęstości
liniowego prądu Js płynącego na powierzchni materiału.
ρs =
E
J SU
(15)
W praktyce rezystywność powierzchniową można zapisać,
ρ s = Rs
l
h
(16)
gdzie:
l – długość elektrody pomiarowej,
h – grubość badanego dielektryka,
Rs – rezystancja powierzchniowa.
Rezystywność powierzchniową podobnie jak skrośną określa się metodą pośrednią. Rezystywność
powierzchniową określa się tylko dla dielektryków stałych.
2.3 Kondensatory.
Materiały dielektryczne oprócz zastosowań typowo izolacyjnych są również główną częścią elementów
elektronicznych, zwanych kondensatorami. Kondensator stanowi układ dwóch lub więcej przewodników
(okładzin), odizolowanych warstwą dielektryka, gromadzący ładunek elektryczny. Pojemność kondensatora
zależy od:
1. wymiarów geometrycznych okładzin i dielektryka,
2. własności materiałowych dielektryka wyrażonych przenikalnością względną εr (ε’).
Przykładowo, zależność na pojemność najczęściej spotykanego kondensatora płaskiego pokazuje bezpośredni
związek między pojemnością a przenikalnością,
C = ε0εr
S
d
(17)
gdzie:
εo – stała elektryczna (przenikalność próżni) - εo= 8,854∗10-12 F/m,
εr – przenikalność względna,
S – powierzchnia okładzin,
d– odległość między okładzinami.
Ze względu na miniaturyzacje elementów elektronicznych (co najbardziej widać w komputerach) tylko
stosowanie materiałów dielektrycznych o dużych i bardzo dużych przenikalnościach względnych εr umożliwia
otrzymanie stosunkowo dużych pojemności. Jednostką podstawową pojemności kondensatorów jest farad (F),
jednak w praktyce najczęściej używa się jednostek wielokrotnie mniejszych: pikofarady (1pF = 10-12 F),
nanofarady (1nF = 10-9 = 1000pF) i mikrofarady (1µF = 1000nF).
Obecnie produkowane kondensatory można podzielić na trzy grupy:
•
•
•
kondensatory elektrolityczne,
kondensatory ceramiczne,
kondensatory z tworzyw sztucznych (foliowe).
Kondensatory elektrolityczne.
Typowe kondensatory elektrolityczne są polaryzowane napięciem określonej biegunowości.
Przyłożenie napięcia przekraczającego wartość napięcia znamionowego lub też odwrotne
podłączenie elektrod powoduje uszkodzenie kondensatora.
Występują z elektrodami aluminiowymi lub tantalowymi.
W kondensatorach z elektrodami aluminiowymi izolatorem jest warstwa tlenku glinu (Al. 2O3) o grubości
znacznie mniejszej niż 1 µm oraz o dużej wartosci przenikalności elektrycznej względnej(εr).
W kondensatorach elektrolitycznych tantalowych izolatorem jest warstewka tlenku tantalu Ta 2O5.
Najczęściej spotyka się tzw. „tantale suche” w których elektrolitem jest Mn O2.
Typowe wartości pojemności produkowanych kondensatorów elektrolitycznych:
aluminiowe - od 100nF do 1F,
tantalowe - od 100nF do 1mF.
Zastosowanie
Kondensatory elektrolityczne stosowane są w obwodach zasilania jako kondensatory filtrujące i gromadzące
energię.
Kondensatory ceramiczne dzielą się na trzy grupy:
Typ 1. Produkowane z użyciem dielektryka o przenikalności względnej w granicach 10...600. Charakteryzują
się małymi stratami oraz wysoką stabilnością w funkcji temperatury, częstotliwości, napięcia i czasu.
Typ 2 (ferroelektryczne).
Kondensatory ferroelektryczne mają znaczną pojemność przy niewielkich rozmiarach.
Zbudowane z materiału o wysokiej przenikalności elektrycznej εr (rzędu tysięcy, np. BaTiO2).
Typ 3 (półprzewodnikowe).
Właściwości podobne do ferroelektryków, ale jeszcze mniejsze gabaryty.
Typowe wartości pojemności produkowanych kondensatorów:
kondensatory ceramiczne typ 1 - od 0,1pF do 10nF,
kondensatory ceramiczne typ 2 - od 100pF do 1uF,
kondensatory ceramiczne typ 3 - od 100pF do 10uF.
Zastosowanie
Kondensatory ceramiczne stosuje się powszechnie w obwodach wielkiej częstotliwości, zarówno jako
elementy obwodów rezonansowych, jak i do sprzęgania, blokowania oraz filtrowania.
Kondensatory z tworzyw sztucznych (foliowe).
Są zbudowane z dwóch wstęg folii aluminiowej przedzielonych dielektrykiem - folią z tworzywa sztucznego.
Folie mogą być:
polistyrenowe (styrofleksowe), poliestrowe, poliwęglanowe, polipropylenowe
Pojemność kondensatorów:
styrofleksowych - od 10pF do 100nF,
poliestrowych - od 100pF do 100uF,
polipropylenowych - od 1nF do 10uF.
Zastosowanie
Kondensatory foliowe znajdują zastosowanie przy średnich częstotliwościach (1Hz-10MHz). Stosowane są
też powszechnie w obwodach RC generatorów i filtrów.
Kondensatory w układach scalonych.
Kondensatory cienkowarstwowe otrzymuje się przez naniesienie na podłoże izolacyjne kolejno warstw:
metalicznej, dielektrycznej, metalicznej. Warstwy metaliczne (okładki kondensatora) są najczęściej złote lub
aluminiowe. Jako dielektryk najczęściej stosuje się SiOx. Ze względu na ograniczenia uzyskiwanych wartości
nominalnych (10 pF…20 nF) i duże tolerancje, często zamiast kondensatorów cienkowarstwowych stosuje się
kondensatory dyskretne (tzw. kondensatory monolityczne), dolutowywane do struktury cienkowarstwowej. W
mikrofalowych układach cienkowarstwowych stosuje się również tzw. kondensatory międzypalczaste, tj.
pojemności między dwiema równoległymi ścieżkami metalizacji (od 1 do kilkudziesięciu pF).
Kondensatory grubowarstwowe otrzymuje się przez naniesienie na podłoże izolacyjne kolejno warstw:
przewodzącej, dielektrycznej i przewodzącej. Jako dielektryk najczęściej stosuje się pastę, której
podstawowymi składnikami są BaTiO3 (tytanian baru) lub TiO2 (rutyl).
Kondensatory (jak i inne elementy elektroniczne) w technologii SMD zostały opracowane na
potrzeby przemysłu elektronicznego, w związku z koniecznością miniaturyzacji układów
elektronicznych. Element w procesie produkcyjnym przyklejany jest do wstępnie ocynowanej płytki
specjalnym szybkoschnącym, termoodpornym klejem. Następnie lutowanie odbywa się poprzez
podgrzewanie gorącym powietrzem. Z uwagi na większą powtarzalność ułożenia elementów oraz ich
mniejsze wymiary niż w przypadku tradycyjnego montażu przewlekanego, łatwiejsze jest
projektowanie obwodów – lepsza powtarzalność parametrów.
Podstawowe parametry kondensatorów:
pojemność znamionowa - CN wyrażona w faradach, określa zdolność kondensatora do gromadzenia
ładunków elektrycznych, podawana na obudowie kondensatora,
napięcie znamionowe – UN, jest największym napięciem, które może być przyłożone trwale do
kondensatora. Napięcie to jest na ogół sumą napięcia stałego i wartości szczytowej napięcia zmiennego,
tangens kąta stratności – tg ρ, obrazujący straty w dielektryku dla składowej zmiennej sygnału,
prąd upływowy – IU, prąd płynący przez kondensator, przy doprowadzonym napięciu stałym,
temperaturowy współczynnik pojemności – αC, określa względną zmianę pojemności, zależną od zmian
temperatury.
3. Wykonanie pomiarów.
3.1. Badanie konduktywności dielektryków stałych.
3.1.1 Metoda badania zjawiska przewodnictwa elektrycznego w dielektrykach
stałych.
Do wyznaczenia rezystywności dielektryka stosuje się najczęściej metodę techniczną, polegającą na pomiarze
napięcia U na badanej próbce i prądu płynącego przez wnętrze tej próbki, tzw. prądu skośnego IV. Należy
zaznaczyć, że pomiar prądu skrośnego jest obarczony dużym błędem spowodowanym prądem
powierzchniowym IS. W celu wyeliminowania wpływu prądu powierzchniowego stosuje się układ z trzema
elektrodami (rys.9).
4
D
g
2
H
3
Rys.9.
Układ elektrod do pomiaru prądu skrośnego w dielektryku stałym:
1-elektroda pomiarowa, 2- pierścień ochronny,
3-elektroda napięciowa,4- próbka badanego dielektryka stałego.
Wielkościami mierzonymi w układzie elektrod (rys.9) są:
grubość próbki h (mm),
średnica elektrody pomiarowej D (mm),
odstęp pomiędzy elektrodą pomiarową i elektrodą ochronną g (mm).
Wyniki pomiarów elektrod i badanej próbki zapisać w tabeli 2.
3.1.2. Schemat układu pomiarowego.
Do pomiaru prądu skrośnego zastosowano układ przedstawiony na (rys.10).
W1
dielektryk
1
2
1
2
elektrody
ekran
E
V
pA
W2
W
Rys. 10.
Schemat układu do pomiaru prądu skrośnego.
E – źródło napięcia stałego, V – woltomierz, pA – pikoamperomierz,
W,W1, W2 – wyłączniki. Kolor niebieski – ekrany
Zastosowanie w układzie trójelektrodowym elektrody ochronnej umożliwia pomiar tylko prądu skrośnego IV.
Ze względu na niewielkie wartości prądu skrośnego jest on mierzony za pomocą pikoamperomierza
(zakres pomiarowy 10-13÷10-4A). Przy tak małych wartościach prądu mierzonego istotnym problemem są
zakłócenia. Eliminujemy je w układzie poprzez zastosowanie ekranów na układzie elektrod,
pikoamperomierzu, przewodach łączących (rys.10).
Próbki przygotowane do badań powinny być pozbawione ładunku elektrycznego, gdyż w znacznym stopniu
fałszuje on wyniki pomiarów. Deelektryzację próbki wykonujemy poprzez ustawienie wyłączników W1, W2 w
pozycję 2.
Do wyznaczenia rezystywności skrośnej niezbędny jest pomiar ustalonej wartości prądu skrośnego (prąd
upływu) IVU. Często jednak normy wyrobów wymagają, żeby pomiar rezystywności wykonać tylko
po 1 minucie od włączenia źródła napięcia stałego. Polska norma PN-88/E-04405 nazywa tę rezystywność
nieustaloną rezystywnością skrośną ρV.
3.1.3. Wykonanie pomiarów.
W układzie pomiarowym przedstawionym na rys.10 należy pomierzyć wartość napięcia zasilającego U oraz
wartości prądu skrośnego IV (wskazania pikoamperomierza) dla różnych dielektryków stałych. Pomiary
wykonać dla czasów t = (0; 10; 20; 30; 40; 50; 60) s, od momentu załączenia pikoamperomierza.
Szczegółowy tok postępowania przedstawiony jest w instrukcji dodatkowej. Wyniki zanotować w tabeli 1.
3.1.4. Tabele.
Tabela 1.
Dielektryk
Lp
1
2
3
4
5
6
7
IV/60
U
t
V
Sek.
0
5
10
20
30
40
50
60
1….
2….
3….
IV
pA
IV
pA
IV
pA
IV/60 – wartość prądu skrośnego po czasie 1 minuty od włączenia napięcia stałego.
Tabela 2.
Pomiary
Dielektryk
Obliczenia
D
g
h
U
IV/60
RV/60
ρV/60
γV/60
mm
mm
mm
V
pA
Ω
Ωm
S/m
1
2
3
3.1.5. Opracowanie wyników pomiarów.
Obliczenia
Rezystancja skrośna jednominutowa,
RV / 60 =
U
I V / 60
Rezystywność skrośna i konduktywność skrośna jednominutowa,
Uπ ( D + g ) 2
I V / 60 4h
IV / 60 4h
γ V / 60 =
Uπ ( D + g ) 2
ρ V / 60 =
γ V / 60 =
1
ρV / 60
gdzie:
D – średnica elektrody pomiarowej,
g – szczelina między elektrodą pomiarową i ochronną,
h – grubość próbki dielektryka.
Wyniki obliczeń umieścić w tabeli 2.
3.2. Zasada pomiaru przenikalności elektrycznej względnej εr.
Pomiar względnej przenikalności elektrycznej dielektryków wyznaczamy mierząc
pojemności kondensatora powietrznego i wypełnionego dielektrykiem (rys. 11).
Elektroda ruchoma
Dielektryk
h
RLC
D
Rys. 11.
Układ do pomiaru pojemności C i przenikalności εr.
(18)
(19)
(20)
Przyrządy i materiały:
1. Kondensator płaski z regulowaną odległością okładek,
2. Komplet folii materiałów dielektrycznych do wyznaczania względnej przenikalności dielektrycznej,
3. Przewody łączeniowe,
4. Cyfrowy miernik RLC, do pomiaru: oporności, indukcyjności, pojemności.
3.2.1 Wykonanie pomiarów.
W układzie pomiarowym (rys. 11) konstrukcja kondensatora umożliwia płynną zmianę odległości między
elektrodami. Mierzymy wartość pojemności kondensatora powietrznego i kondensatora z dielektrykiem
stałym dla różnych częstotliwości. Wyniki notujemy w tabeli 3
Szczegółowy tok postępowania przedstawiony jest w instrukcji dodatkowej.
3.2.2.Tabele
Tabela 3
Pomiary
Dielektryk
Obliczen
ia
f
Cx
C0
εr
Hz
pF
pF
-
1
2
3
3.2.3. Opracowanie wyników pomiarów.
Obliczenia
pojemność kondensatora probierczego bez dielektryka (ewentualnie pomierzyć),
CO =
ε O πD 2
4h
=
(21)
przenikalność elektryczna względna badanego dielektryka (część rzeczywista przenikalności zespolonej),
εr = ε '=
D-średnica próbki; h – grubość próbki,
CX
=
CO
(22)
3.3. Uwagi i wnioski.
Wymagania
1. Defekty punktowe Frenkla, Schottky’ego.
2. Prąd płynący przez kondensator przy zasilaniu napięciem stałym.
3. Rezystywność skrośna dielektryka.
4. Rezystywność powierzchniowa dielektryka.
5. Zasada pomiaru prądu skrośnego w dielektryku stałym.
6. Problemy techniczne przy pomiarze prądu skrośnego.
7. Dielektryki polarne i niepolarne.
8. Dipol w polu elektrycznym.
9. Polaryzacja sprężysta.
10. Polaryzacja relaksacyjna.
11. Zmiana pojemności kondensatora powietrznego po włożeniu dielektryka między okładziny.
12. Przenikalność elektryczna zespolona.
13. Przenikalność elektryczna bezwzględna.
14. Przebieg przenikalności ε’ i ε” w funkcji częstotliwości dla dielektryków niepolarnych, polarnych.
15. Kondensatory elektrolityczne.
16. Kondensatory ceramiczne.
17. Kondensatory z tworzyw sztucznych (foliowe).
18. Kondensatory w układach scalonych.
19. Kondensator SMD.
20. Podstawowe parametry kondensatorów.
Literatura
1. A. Chełkowski, Fizyka dielektryków, PWN, 1979.
2. Z. Celiński, Materiałoznawstwo elektrotechniczne Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej
2005.
3. F. Kostrubiec Podstawy fizyczne materiałoznawstwa dla elektryków, Politechnika Łódzka,
1999.
3. M. Lisowski, Pomiary rezystywności i przenikalności elektrycznej dielektryków stałych,.
Politechnika Wrocławska, 2004.