Дослідження залежності діелектричної проникності матеріалів від температури – МАНЛаб


Дослідження залежності діелектричної проникності матеріалів від температури

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
  2. Визначити діелектричну проникність зразків різних діелектричних матеріалів за температури навколишнього середовища.
  3. Визначити діелектричну проникність зразків діелектричних матеріалів за різних температур.
  4. Побудувати графіки та дослідити зміни діелектричної проникності діелектричних матеріалів залежно від температури.
  5. Дійти висновків щодо належності кожного з матеріалів до того чи іншого класу.

Обладнання:

Термостат МВ-003 або МВ-004, вимірювач RLC типу Е7-22 або цифровий мультиметр з можливістю вимірювання електричної ємності, демонстраційний діелектричний зразок, вимірювальні конденсатори зі зразками монокристалічної сегнетової солі, штангенциркуль.

Теоретична частина

До діелектриків належить досить багато хімічних речовин та матеріалів. Усі діелектрики можна поділити на неполярні, полярні, йонні та сегнетоелектрики. До неполярних діелектриків належать газоподібні, рідкі та тверді діелектрики, що складаються з неполярних молекул, наприклад повітря, азот, керосин, ебоніт, парафін, та мають невисокі значення діелектричної проникності ε – від однієї до декількох одиниць. До полярних діелектриків належать гази та рідини, що складаються з полярних молекул, наприклад, аміак, вода, спирти, та мають діелектричну проникність у декілька десятків одиниць. До йонних діелектриків належать йонні кристали, наприклад сульфат міді, хлорид натрію. Діелектрична проникність ε йонних кристалічних діелектриків має значення одиниці або десятків одиниць.

Значення ε звичайних діелектриків мало залежить від температури, оскільки для них характерна здебільшого індукційна поляризація, яка реалізується завдяки зміщенню електронних оболонок у молекулах.  Зі зростанням температури діелектрична проникність таких діелектриків зазвичай знижується.

Окрему специфічну групу діелектриків складають сегнетоелектрики. До них належать такі кристалічні діелектрики, як сегнетова сіль NaKC4H4O6∙4H2O, титанат барія BaTiO3 та інші. Відносна діелектрична проникність сегнетоелектриків сильно залежить від температури, є функцією напруженості зовнішнього електричного поля і може сягати декількох тисяч одиниць (ε ≈ 103 … 104). У певному діапазоні температур, що називаються полярною фазою, такі діелектрики спонтанно поляризовані (мають дипольний момент одиниці об’єму, відмінний від 0) за відсутності зовнішнього електричного поля. Однак за певної температури відбувається фазовий перехід другого роду, що супроводжується зміною симетрії кристалічної  структури таких діелектриків. Вони переходять у неполярну фазу, де спонтанна поляризація відсутня. Температура переходу Tk називається діелектричною точкою Кюрі. Серед загальних властивостей сегнетоелектриків варто відзначити нелінійну залежність діелектричної проникності ε та поляризованості матеріалу  від напруженості електричного поля, а також явище діелектричного гістерезису. Все це є характерним для полярної фази.

Експериментально визначивши діелектричну проникність діелектрика за різних температур, можна дійти висновку про те, чи належить цей діелектрик до сегнетоелектриків, та, якщо так, визначити його діелектричні точки Кюрі.

Для визначення діелектричної проникності зразка діелектрика його слід розмістити між обкладинок вимірювального конденсатора, виміряти ємність вимірювального конденсатора та розрахувати діелектричну проникність за такими формулами.

Для плаского круглого зразка:

, (1)

де С – ємність вимірювального конденсатора, Ф;

d – відстань між обкладинками вимірювального конденсатора, м;

ε0 – електрична стала, ε0 = 8,85∙10-12 Ф/м;

D – діаметр конденсатора;

π – відношення довжини кола до його діаметру, π = 3,14.

Для плаского прямокутного зразка:

, (2)

де a та b – відповідно довжина та ширина вимірювального конденсатору, м.

Щоб визначити температурну залежність діелектричної проникності діелектрика, вимірювальний конденсатор з його зразком слід помістити до термостату й вимірювати ємність вимірювального конденсатора за різних температур з подальшим обчисленням діелектричної проникності за виразами (1) та (2).

Метою практичної роботи є засвоєння методики отримання залежностей діелектричної проникності зразків діелектриків з використанням спеціального обладнання та ПК.

Хід роботи

  1. Створіть у математичних таблицях Excel таблиці результатів у кількості, що дорівнює кількості діелектричних зразків.
  2. За допомогою штангенциркуля виміряйте геометричні розміри діелектричних зразків.
  3. Встановіть діелектричний зразок у касеті термостату, для чого:

        – оцініть стан поверхні зразку на наявність вологи, забруднень, окиснення електродів та в разі необхідності очистіть їх;

        – витягніть касету з робочої камери термостату, попередньо вивільнивши затискачі її кріплення;

        – розмістіть зразок діелектрика на основу касети та закріпіть його затискними гвинтами;

        – вставте касету в робочу камеру термостату та закріпіть її затискачами.

  1. З’єднайте вихідний шнур касети термостату з вимірювальними гніздами вимірювача RLC.
  2. Увімкніть термостат до мережі 220 В, 50 Гц та увімкніть вимикач «Сеть» на його передній панелі.
  3. Витримайте термостат увімкненим протягом 10 хвилин.
  4. Увімкніть вимірювач RLC.
  5. Виконайте вимірювання ємності за температури навколишнього середовища, для чого:

        – для увімкнення режиму регулювання натисніть кнопку «Измер» на передній панелі термостату та виміряйте значення температури за цифровим індикатором;

        – встановіть необхідну частоту вимірювальної напруги на вимірювачі RLC та оберіть необхідний діапазон та схему заміщення;

        – виконайте вимірювання ємності за відповідним індикатором вимірювача.

  1. За допомогою кнопок «Установка–» та «Установка+» задайте потрібну температуру нагріву термостату на цифровому індикаторі.
  2. Контролюйте нагрів термостату до заданої температури за станом світлодіодних індикаторів «Меньше», «Норма», «Больше». Коли засвітиться світлодіод «Норма» (паралельно прозвучить відповідний звуковий сигнал), зачекайте 2–3 хв, щоб забезпечити сталий температурний режим всередині камери термостату. Після цього проведіть вимірювання ємності.
  3. Здійсніть ряд вимірів ємності за різних температур у порядку їхнього збільшення з інтервалом у 2 градуси. При наближенні температури до очікуваного значення точки Кюрі здійснюйте вимірювання з інтервалом в 1 градус (для зразків сегнетоелектриків).
  4. Проведіть аналогічні вимірювання в порядку зменшення температур.

Аналіз даних

  1. Інструментами таблиць Excel для кожного значення електричної ємності в таблиці розрахуйте значення діелектричної проникності за виразами (1) та (2).
  2. Побудуйте графіки залежності діелектричної проникності від температури
  3. За отриманими значеннями діелектричної проникності та її температурної залежності дійдіть висновків, до яких класів належать випробувані діелектрики.

 

Таблиця результатів

t, °С  15  17  19  20  21  22  23  24  25  26  28  30
С, пФ
ε