Laboratorium Inżynierii Materiałowej / Fizyki Ćwiczenie nr 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.. 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 10 6 Ωm.. 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, HO..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.a), polaryzację jonowo indukowaną (rys.b), ). relaksacyjną (orientacyjną), do której zalicza się: polaryzację dipolową(rys.c), polaryzację jonowo-relaksacyjną, polaryzację makroskopową. a) E=0 E 0 b c) Rys.. Schematyczny obraz trzech mechanizmów polaryzacji a) elektronowej; b) jonowej; c) dipolowej
Polaryzacja elektronowa występuje we wszystkich dielektrykach i trwa bardzo krótko (rzędu 10-15 s). 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 około10-13 s. 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 10 10 ) 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) E 0 q 0 -q 0 + - + - + - + - E 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 q o. Pojemność elektryczna takiego układu jest wówczas równa, q0 C0 = U () 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 = q o + q, a pojemność układu z dielektrykiem, q C = (3) U lub inaczej, q 0 q C = + (4) U Ładunek q na elektrodach w układzie z dielektrykiem jest większy od ładunku q 0 na elektrodach układzie próżniowym (lub w powietrzu), wobec tego C > Co, zaś iloraz C ε (5) r = C 0 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. ˆ ε = ε jε, (6) gdzie ε jest względną przenikalnością elektryczną (ε r ), zaś ε jest czynnikiem strat. Miarą opóźnienia zmian polaryzacji dielektryka w stosunku do zmian pola elektrycznego jest tangens kąta strat ε tg δ = (7) ε Przenikalność bezwzględna dielektryka określona jest zależnością ε = ε ε ' (8) gdzie: ε o stała elektryczna (przenikalność próżni) - ε o = 8,854 10-1 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) O ε ε ε ε ε ε ε ε f f Rys.4. Zależność ε i ε od częstotliwości pola f. Rys.5. Zależność ε i ε od częstotliwości pola f.
.. 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 Rys.6. Sieć krystaliczna: a- idealna; b-z defektem Frenkla; c- z defektem Schottky ego; 1-luka defektu Frenkla; -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..1 Prądy w dielektryku. 1 a b c 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 = γ E (9) W przypadku istnienia jednego rodzaju nośników, konduktywność γ dielektryka można przedstawić, γ = q n µ (10) gdzie: q ładunek nośnika, n koncentracja objętościowa liczba nośników w jednostce objętości materiału (1/m 3 ), µ- ruchliwość nośników iloraz prędkości dryfu i natężenia pola elektrycznego (m /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 i u. Prąd płynący przez kondensator jest sumą trzech prądów: i c ładowania, i a absorpcji, i u - upływu, i = i c + i a + i u (11) Prąd ładowania i c związany jest z polaryzacją sprężystą. Prąd upływu i u 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 i a, jest związany z polaryzacją relaksacyjną i w przypadku dielektryka z jednym relaksatorem można go przedstawić za pomocą równania,
gdzie: I a prąd początkowy absorpcji, τ stała czasowa relaksacji. t ia = I a exp (1) τ i i i a i u 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 i u. Prąd płynący przez dielektryk stały jest sumą prądu przewodzenia skrośnego i prądu płynącego po powierzchni dielektryka. (rys8.). - 1 3 t + 4 Rys.8. Drogi przepływu prądu przez dielektryk 1 - dielektryk, - elektrody, 3 prąd skrośny I V, 4 prąd powierzchniowy I S W związku z takim podziałem prądu upływu zostały wprowadzone pojęcia: rezystywność skrośna ρ v jednostka (Ωm ), rezystywność powierzchniowa ρ s 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 ρ v definiuje się jako iloraz stałego pola elektrycznego E i gęstości prądu ustalonego J vu płynącego wewnątrz dielektryka natężenia, E ρ V = (13) JVU W praktyce rezystywność skrośną określamy jako rezystancję skrośną odniesioną do jednostki objętości próbki, S ρ V = R V (14) h gdzie: S efektywna powierzchnia elektrody pomiarowej, h grubość badanego dielektryka, R V rezystancja skrośna określona na podstawie pomiaru. Rezystywność skrośną ρ v mierzy się metodą pośrednią, przez pomiar rezystancji skrośnej, powierzchni elektrody pomiarowej i grubości próbki. Rezystywność skrośna jest cechą materiałową. Rezystywność powierzchniową ρ s definiuje się jako iloraz natężenia stałego pola elektrycznego E i gęstości liniowego prądu J s płynącego na powierzchni materiału. E ρ s = (15) J SU W praktyce rezystywność powierzchniową można zapisać, l ρ s = R s (16) h gdzie: l długość elektrody pomiarowej, h grubość badanego dielektryka, R s rezystancja powierzchniowa. Rezystywność powierzchniową podobnie jak skrośną określa się metodą pośrednią. Rezystywność powierzchniową określa się tylko dla dielektryków stałych..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,. własności materiałowych dielektryka wyrażonych przenikalnością względną ε r (ε ). Przykładowo, zależność na pojemność najczęściej spotykanego kondensatora płaskiego pokazuje bezpośredni związek między pojemnością a przenikalnością, S C = ε 0 ε r (17) d gdzie: ε o stała elektryczna (przenikalność próżni) - ε o = 8,854 10-1 F/m, ε r 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 ε r umożliwia otrzymanie stosunkowo dużych pojemności. Jednostką podstawową pojemności kondensatorów jest farad (F),
jednak w praktyce najczęściej używa się jednostek wielokrotnie mniejszych: pikofarady (1pF = 10-1 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. O3) o grubości znacznie mniejszej niż 1 µm oraz o dużej wartosci przenikalności elektrycznej względnej(ε r ). W kondensatorach elektrolitycznych tantalowych izolatorem jest warstewka tlenku tantalu Ta O5. Najczęściej spotyka się tzw. tantale suche w których elektrolitem jest Mn O. 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 (ferroelektryczne). Kondensatory ferroelektryczne mają znaczną pojemność przy niewielkich rozmiarach. Zbudowane z materiału o wysokiej przenikalności elektrycznej ε r (rzędu tysięcy, np. BaTiO ). 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 - 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 SiO x. Ze względu na ograniczenia uzyskiwanych wartości nominalnych (10 pf 0 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 BaTiO 3 (tytanian baru) lub TiO (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 - C N wyrażona w faradach, określa zdolność kondensatora do gromadzenia ładunków elektrycznych, podawana na obudowie kondensatora, napięcie znamionowe U N, 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 I U, prąd płynący przez kondensator, przy doprowadzonym napięciu stałym, temperaturowy współczynnik pojemności α C, 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 I V. Należy zaznaczyć, że pomiar prądu skrośnego jest obarczony dużym błędem spowodowanym prądem powierzchniowym I S. W celu wyeliminowania wpływu prądu powierzchniowego stosuje się układ z trzema elektrodami (rys.9).
4 D g Rys.9. Układ elektrod do pomiaru prądu skrośnego w dielektryku stałym: 1-elektroda pomiarowa, - pierścień ochronny, 3-elektroda napięciowa,4- próbka badanego dielektryka stałego. H 3 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. 3.1.. Schemat układu pomiarowego. Do pomiaru prądu skrośnego zastosowano układ przedstawiony na (rys.10). E V ekran dielektryk W 1 1 elektrody pa 1 W W Rys. 10. Schemat układu do pomiaru prądu skrośnego. E źródło napięcia stałego, V woltomierz, pa pikoamperomierz, W,W 1, W wyłączniki. Kolor niebieski ekrany
Zastosowanie w układzie trójelektrodowym elektrody ochronnej umożliwia pomiar tylko prądu skrośnego I V. Ze względu na niewielkie wartości prądu skrośnego jest on mierzony za pomocą pikoamperomierza (zakres pomiarowy 10-13 10-4 A). 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 W 1, W w pozycję. Do wyznaczenia rezystywności skrośnej niezbędny jest pomiar ustalonej wartości prądu skrośnego (prąd upływu) I VU. 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 ρ V. 3.1.3. Wykonanie pomiarów. W układzie pomiarowym przedstawionym na rys.10 należy pomierzyć wartość napięcia zasilającego U oraz wartości prądu skrośnego I V (wskazania pikoamperomierza) dla różnych dielektryków stałych. Pomiary wykonać dla czasów t = (0; 10; 0; 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. Lp U t Dielektryk 1.. 3. I V I V I V V Sek. pa pa pa 1 3 4 5 6 7 0 5 10 0 30 40 50 I V/60 60 I V/60 wartość prądu skrośnego po czasie 1 minuty od włączenia napięcia stałego.
Tabela. Pomiary Obliczenia Dielektryk 1 3 D g h U I V/60 R V/60 ρ V/60 γ V/60 mm mm mm V pa Ω Ωm S/m 3.1.5. Opracowanie wyników pomiarów. Obliczenia Rezystancja skrośna jednominutowa, U R V / 60 = (18) IV / 60 Rezystywność skrośna i konduktywność skrośna jednominutowa, U ( D + g) ρ V / 60 = π (19) IV / 60 4h 1 I / 604h γ V / 60 = γ V V / 60 = (0) ρv / 60 U π ( D + g) gdzie: D średnica elektrody pomiarowej, g szczelina między elektrodą pomiarową i ochronną, h grubość próbki dielektryka. Wyniki obliczeń umieścić w tabeli. 3.. Zasada pomiaru przenikalności elektrycznej względnej ε r. 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 ε r.
Przyrządy i materiały: 1. Kondensator płaski z regulowaną odległością okładek,. Komplet folii materiałów dielektrycznych do wyznaczania względnej przenikalności dielektrycznej, 3. Przewody łączeniowe, 4. Cyfrowy miernik RLC, do pomiaru: oporności, indukcyjności, pojemności. 3..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...Tabele Tabela 3 Dielektryk Pomiary Obliczen ia f C x C 0 ε r Hz pf pf - 1 3 3..3. Opracowanie wyników pomiarów. Obliczenia pojemność kondensatora probierczego bez dielektryka (ewentualnie pomierzyć), ε OπD CO = = (1) 4h przenikalność elektryczna względna badanego dielektryka (część rzeczywista przenikalności zespolonej), C X ε r = ε ' = = () CO D-średnica próbki; h grubość próbki,
3.3. Uwagi i wnioski. Wymagania 1. Defekty punktowe Frenkla, Schottky ego.. 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. 1. 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. 0. Podstawowe parametry kondensatorów. Literatura 1. A. Chełkowski, Fizyka dielektryków, PWN, 1979.. Z. Celiński, Materiałoznawstwo elektrotechniczne Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej 005. 3. F. Kostrubiec Podstawy fizyczne materiałoznawstwa dla elektryków, Politechnika Łódzka, 1999. 3. M. Lisowski, Pomiary rezystywności i przenikalności elektrycznej dielektryków stałych,. Politechnika Wrocławska, 004.