Пасинков В. В., Сорокин В. С. Материалы електронной техники
|
|
Скачати 163.84 Kb.
|
|
ДЕРЖАВНИЙ KOMITET ЗВ'ЯЗКУ ТА ІФОРМАТИЗАЦІЇ УКРАЇНИ Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій КАФЕДРА Технічної електроніки ЗАТВЕРДЖУЮ Завідуючий кафедрою ___Р. В, Уваров_____ (підпис, прізвище) ”____”________ 2004 року Тільки для викладачів ЛЕКЦІЯ № 4 3 навчальної дисципліни_______„Хімія та електроматеріали"________________________ Напряму підготовки__________Телекомунікації, радіотехніка_______________________ Освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр _________________________ Спеціальності Телекомунікаційні системи та мережі, інформаційні мережі зв’язку, поштовий зв’язок__________________________________________________________ Тема_____________Діелектричні матеріали________________________________________ (повна назва лекції) ______________________ _ Лекція розроблена ___________________________ ст.викл. Латиповим І.М._______________________________ (вчена ступінь, вчена ступінь та звання, прізвище та ініціали автора) О  бговорено на засіданні кафедри (ПМК)Протокол № ”____”_________________2004 року Київ 2004 Навчальні цілі: Навчити студентів оцінювати властивості діелектриків по характеристиці і визначити можливість практичного використання в радіоелектроніці та техніці зв`язку Виховні цілі: враховуючи великий об`єм матеріалу, відпрацювати певну систему вивчення матеріалу, використовуючи самостійну роботу в аудиторії та дома Час: 2 год. ПЛАН ПРОВЕДЕННЯ ЛЕКЦІЇ ТА РОЗРАХУНОК ЧАСУ Введення значення діелектриків в виробництві РЕА, пристроїв зв`язку _____ - хвилин Навчальні питання
Заключення Зупинитися на видах діелектрики матеріалів, що широко використовується в апаратурі зв`язку ____________________________________________________________- хвилин ЛІТЕРАТУРА: (рекомендована для студентів)
НАВЧАЛЬНО-МАТЕРІАЛЬНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ (наочні посібники, схеми, таблиці, ТЗН та інше) Плакат – різновиди та властивості діелектричних матеріалів 3. Діелектричні матеріали 1. Загальні відомості про діелектричні матеріали Діелектрики в радіотехніці знайшли розповсюдження, як ізолятори в електричних проводах, радіодеталях і як конструкційні матеріали в різних пристроях. Наприклад, для ізоляції обмотувальних проводів та кабелів, для каркасів котушок індуктивності, підкладок гібридних інтегральних мікросхем і т. ін. Властивості діелектриків характеризуються їх параметрами:
-температурним коефіцієнтом діелектричної проникності ТКЄ. Параметри діелектричних матеріалів Діелектрична проникність та її температурний коефіцієнт Здатність діелектрика поляризуватися характеризує його діелектрична проникність  .Діелектрична проникність - це величина, яка показує, у скільки разів збільшується ємність повітряного конденсатора, якщо простір між його обкладками заповнити замість повітря даним діелектриком і визначається по формулі: = ,де С1 - ємність конденсатора з даним діелектриком; Со - ємність повітряного конденсатора. Таким чином, властивість будь-якого діелектричного матеріалу порівнюють із властивістю повітря. Кращі конденсатори мають велику .Діелектрична проникність залежить від температури і визначається температурним коефіцієнтом діелектричної проникності ТК , яка характеризується відносною змінною проникністю при зміні температури на 1 °С.Температура, при якій діелектрична проникність максимальна, називається температурою Кюрі. Електропровідність діелектриків Ідеальний діелектрик не має електропровідності. Електропровідність у діелектрику виникає тоді, коли він має вільні або слабо пов'язані заряди (іони), які переміщуються під дією електричного поля Е, приводячи до виникнення електричного струму. Електропровідність - це здатність діелектрика проводити електричний струм. В діелектриках необхідно розрізняти два вида провідності: об'ємну та поверхневу, згідно струму витоку через товщину діелектрика або по його поверхні. Для порівняльної оцінки твердих діелектриків по відношенню їх об'ємної та поверхневої електропровідності користуються значеннями питомого об'ємного та питомого поверхневого опору. Струм електропровідності називається струмом витоку Івит. Він визначається опором ізоляції Rіз по формулі:  Тоді  ,де d- товщина діелектрика (м); S- площа бокової поверхні (м2). Питомий об'ємний опір рv численно дорівнює опору куба з ребром в  мислено вирізаного із досліджує мого матеріалу, якщо струм проходить через дві протилежні грані цього куба .В випадку плоского зразка матеріалу при однорідному полі питомий об'ємниі опір в Ом*м можна визначити по формулі:  де R- об'ємний опір зразка, Ом; S- площа електрода, м2; h- товщина зразка, м. Питомий поверхневий опір  s числено дорівнює опору квадрата, мислено виділеного на поверхні матеріалу, якщо струм проходить через дві протилежні сторони цього квадрата.Питомий поверхневий опір в Ом можна визначити по формулі:  , де Rs-поверхневий опір зразка між паралельно поставленими електродами; l - ширина електродів; d- відстань між електродами (див. рис. 3.1). По питомому опорові  визначається питомі провідності  .Повна провідність твердого діелектрика складається з об'ємної та поверхневої провідностей .Електропровідність діелектриків зумовлюється станом речовини: газоподібним, рідким або твердим, а також залежить від температури й вологості навколишнього середовищя. Діелектричні втрати Енергетичні втрати в діелектрику пов'язані з наявністю струмів витоку, уповільнення поляризаційних процесів іонізації газових вкраплень, зміни орієнтації дипольних молекул, які приводять до тертя та деформації атомів. Усі фактори втрат можна звести до дії активного опору ізоляції Rіз. Енергетичні втрати діелектрика через наявність опору Rіз приводять до його нагріву й розсіювання тепла в оточуюче середовище. Якість діелектрика при змінній напрузі характеризують питомими втратами, кутом діелектричних втрат або тангенсом кута діелектричних втрат. В ідеальному діелектрику кут  дорівнює нулю. Чим більше потужність розсіювання, тим більше кут діелектричних втрат.Діелектричні втрати можна розділити на чотири основні види:
Величину діелектричних втрат в ізоляційному матеріалі можна характеризувати величиною реактивної складової потужності розсіювання, віднесеної до одиниці об'єму, а також тангенсом кута діелектричних втрат. Кутом діелектричних втрат називається кут, доповнюючий до  кут зсуву фаз між струмом та напругою в ємкісному колі. Чим більше потужність яка розсіюється в діелектрику, яка переходить в тепло, тим менше кут зсуву фаз  і тим більше кут діелектричних втрат і його функція  (рис1).З векторної діаграми отримаємо: для паралельної схеми  для послідовної схеми  Величину потужності, яка розсіюється можна визначити по формулі     a) б)Рис. 1. Паралельна (а) та послідовна (б) еквівалентні схеми діелектрика з втратами та векторними діаграмами до них Із данної формули видно, що діелектричні втрати мають серйозні значення для діелектриків, які використовуються в високовольтній апаратурі, високочастотних пристроях, так як величина діелектричних втрат пропорційна квадрату прикладеної до діелектрика напруги та частоти струму. Електрична міцність Характеризує здатність діелектрика витримувати без пробою велику електричну напругу. Ізоляційні властивості діелектрика, який знаходиться в електричному полі, втрачаються якщо напруженість поля перевищить критичне значення, після якої виникає пробій. Під пробоєм діелектрика розуміють процес утворення в ньому каналу великої провідності. Напруга, за якою порушується міцність ізоляції діелектрика і виникає його пробій називається напругою пробою (Uпр). Напруженість поля, за якою виникає пробій діелектрика, називається електричною міцністю ізоляції (Eпр):  де d - товщина діелектрика. Частіше виникають електричний та електротепловий пробої. Електричний пробій обумовлюється, головним чином, ударною іонізацією атомів кристалічних ґрат вільними електронами провідності. Вони прискорюються зовнішнім електричним полем та віддають надлишок енергії валентним електронам, які відриваючись від атому, стають вільними і, розганяючись електричним полем, в свою чергу, звільняють нові електрони. Виникає лавиноподібне нарощування процесу, яке і приводить до пробою. Електротепловий пробій обумовлюється стрімким зростанням провідності та втрат у діелектрику при зростанні температури. При цьому порушується рівновага між тепловою потужністю підведеною до діелектрика та відведеною в оточуюче середовище. Це приводить до збільшення струму витоку, тобто до ще більшого зростання температури діелектрика і його руйнування - плавлення, обвуглення або випаповування. Поляризація діелектриків Якщо до діелектрика прикладається зовнішнє електричне поле, то він поляризується. Сенс поляризації - в оборотному зміщенні зарядів при відповідній орієнтації молекул діелектрика. В результаті поляризації виникає електричне поле, направлене проти зовнішнього поля. В діелектриках в залежності від їх структури можуть виникати слідуючи види поляризації: електронна, Іонна, іонно - релаксаційна, дипольно - релаксаційна, електронно - релаксаційна, пружно - дипольна, структурна, ядерного зміщення, спонтанна, залишкова. Електронна поляризація представляє собою пружне зміщення й деформацію електронних оболонок атомів та іонів. Процес поляризації протікає майже миттєво (10  с). Такі діелектрики використовуються на всіх частотах включаючи і надвисокі частоти.Електронна поляризація спостерігається у всіх видах діелектриків і не зв'язана з утратою енергії. Тепловий рух молекул на величині електронної поляризації не відображається. Іонна поляризація зумовлена зміщенням пружного зв'язаних іонів і характерна для твердих діелектриків з іонною будовою. Величина поляризації з підвищенням температури збільшується в результаті ослаблення пружних сил, діючих між іонами, із-за збільшення відстані між іонами при тепловому розширенні. Іонна поляризація відноситься до миттєвих і не залежить від частоти. Іонно - релаксаційна поляризація (ІРП) спостерігається в неорганічному склі та в деяких кристалічних неорганічних речовинах із негустою скупченістю іонів. В них слабо зв'язані іоні під дією зовнішнього електричного поля отримують допоміжні перекидання в направленні поля. Поляризація цього типу має сповільнений характер. Діелектрики з ІРП на високих частотах не застосовуються. Дипольно - релаксаційна (ДРП) поляризація визначається поворотом і орієнтацією диполів у направленні поля і зв'язана з тепловим рухом часток. Дипольні молекули, які знаходяться в хаотичному тепловому русі, частично орієнтуються під дією поля, що являється причиною поляризації діелектрика. Якщо зняти зовнішнє електричне поле поляризація зникає. Час ДРП рівняється 10  10-102с. Цей вид поляризації спостерігається у всіх полярних речовинах.Спонтанна поляризація нелінійно залежить від величини напружності електричного поля і характеризується явно вираженим максимом при певній температурі. Цей вид поляризації супроводжується значним розсіюванням енергії. Він характерний сегнетоелектриків. Залишкова поляризація характеризується тривалим зберіганням поляризаційного стану в діалектрику після зняття зовнішнього поля. Діалектрики цього типу (електрики) здатні при відсутності зовнішнього поля створювати електричне поле в навколишньому середовищі. Елнктркти можуть використовуватися як джерело електричної енергії. Класифікація діелектриків Класифікація електроізоляційних матеріалів можлива по різним ознакам (рис. 3.3). Основними з них являються: по призначенню діелектрики діляться на діелектричні, ізоляційні, конструкційні, покривні та ключі матеріали; по структурі діелектрики діляться на аморфні та кристалічні; по ступені дисоціації - на гетерополярні та гомеополярні; по агрегатному стану діелектрики бувають тверді, рідкі та газоподібні; по хімічній природі діелектрики діляться на органічні (з'єднання вуглецю з водородом, азотом, кислородом та деякими іншими елементами), елементоорганічні (крім перекислених вище елементів містять атоми кремнію, магнію, алюмінію, титану) та неорганічні (представляють собою іонні сполуки); по ступеню поляризації діелектрики діляться на полярні, молекули яких завжди мають деякий електричний момент, який відрізняється від нуля, і не полярні, молекули яких отримують "індуктивний" електричний момент тільки при дії зовнішнього електричного поля; по частотним властивостям - низькочастотні та високочастотні; по будові діелектрики бувають однорідні та неоднорідні (слоїсті, із наповнювачем, компаунди); по управлінню властивостями діелектрики поділяються на активні (управляємі) та пасивні. Активні діелектрики можуть змінювати свої електричні властивості під дією різних факторів. До них належать: сегнетоелектрики, діелектрична проникність яких сильно змінюється при зміні напруженості електричного поля та температури; п'єзоелектрики, які генерують електричні заряди під дією механічних напруг і, навпаки, змінюють свої розміри під дією електричного поля. Пасивні діелектрики практично не змінюють своїх властивостей під дією різних зовнішніх факторів. За походженням діелектрики розподіляються на дві великі групи - органічні та неорганічні. 3.Органічні та неорганічні діелектрики. Органічні діелектрики До них відносяться речовини, або їх суміші: - тваринного походження (шовк, віск); -рослинного походження (папір, гума, каніфоль, мастила, лаки, смоли);
Розглянемо деякі органічні діелектрики. Склотекстоліт. Це шарувата пластмаса на основі склотекстилю. Має високі діелектричні властивості і застосовується для плат друкованого монтажу і як конструкційний матеріал придатний для роботи на високих частотах. Ебоніт. Виготовляється з каучуку. Застосовується як конструкційний матеріал на низькій частоті. Його властивості швидко змінюються в часі. Карболіт. Це пластмаса, яка виготовляється на основі композиції волокнистих та порошкових органічних речовин на основі смоли. Крихкий. Для роботи на високих частотах непридатний. З нього, наприклад, виготовляється кришка котушки запалювання автодвигуна. Органічне скло (плексиглас,). Це прозорий скловидний полімер деяких речовин, Частіше застосовується для виготовлення шкал, лінз, для засклення вікон наземного, водного та повітряного транспорту. Для ізоляції застосовується рідко. Має низьку температуру плавлення (- 60... +100°) С. Полістирол. Це прозора скловидна пластмаса. Має високі електроізоляційні властивості. Застосовується для виготовлення каркасів високочастотних контурних котушок, ручок, клавишів. Плівковий полістирол застосовується для ізоляції жил високочастотних кабелів, ізоляційних плат, як діелектрик у конденсаторах, для діелектричних антен, надвисокочастотних хвильоводів, для упаковки продуктів харчування. Знаходить застосування й пінополістирол. Недоліком полістиролу є низька теплостійкість +(60...80  )С.Поліхлорвініл. Це еластичний матеріал, який виготовляється у вигляді листів, стрічок, трубок. Застосовується для ізоляції монтажних проводів. Мас високу електричну міцність, однак низьку термостійкість. Поліетилен. Це еластичний напівпрозорий матеріал, який має високі електроізоляційні якості, але низьку теплостійкість - до 70 С. Застосовується для каркасів контурних котушок та ізоляції високочастотних кабелів. Капрон. Це поліамідна смола, яка має високі ізоляційні властивості. З нього виготовляються нитки, плівки, листи, втулки, монтажні планки і т. ін. Фторопласт. Матеріал білого кольору з високими електроізоляційними та тепловими властивостями, малими втратами (теплостійкість - до 300 С; tgb = 0,002), має велику механічну міцність, не змочується водою, але має невелику діелектричну проникність . Застосовується для виготовлення плівкових конденсаторів та як ізолятор у високочастотних кабелях.3.3. Неорганічні діелектрики Відрізняються вогнестійкістю, твердістю. До них належать: слюда, кварц, скло, склоемаль, кераміка. Розглянемо деякі з них. Слюда. Має найбільшу електричну міцність. Застосовуються два різновиди слюди - мусковіт та флігопіт. Мусковіт - безколірний та прозорий діелектрик із високими електроізоляційними якостями. Застосовується в конденсаторах для ізоляції електродів всередині електронних ламп у вигляді пластин з отворами крізь які проходять електроди, а також для ізоляції пластин якоря електромоторів. Флігопіт - малопрозорий, відносно м'який, світло-коричневого, янтарного, золотистого або зеленого кольору. Застосовується для ізоляції в електронагрівальних приладах. До слюдяних діелектриків відноситься і мікалекс, який отримується після спресовування порошку слюди з борною кислотою та суриком. З мікалексу виготовляють ізолятори потужної високочастотної апаратури. Електричні та фізичні параметри слюди наведено в таблиці д.1. Таблиця
Електрокераміка. Це тверда речовина, яка отримується при термічній обробці суміші різних мінералів, основною складовою яких є природні глинисті речовини (глини, каоліни), а також кварц, польовий шпат, тальк та ін. Електрокераміка є найбільш якісним діелектриком. Вона стійка до впливу вологи та хімічних речовин, має найбільшу теплостійкість. Всі електрокерамічні матеріали розподіляються на ізоляторні, конденсаторні та сегнетокерамічні. До ізоляторної кераміки відносяться радіофарфор, ультрафарфор. Радіофарфор та ультрафарфор застосовуються для каркасів котушок індуктивності короткохвильового та надкороткохвильового діапазону, ізоляторів, лампових панелей, плат перемикачів, основи недротових резисторів, корпусів інтегральних мікросхем. Стеатит - радіокераміка, яка застосовується як конструктивний діелектрик. З нього виготовляються, наприклад, осі змінних конденсаторів та ін. Конденсаторні керамічні матеріали отримуються після термічної обробки двоокису титану (TiO2), окисей MgО, СиО, ZпО, В2О. Такі матеріали мають великі значення діелектричної проникності { = 16...250) та невеликий і негативний ЇЇ температурний коефіцієнт. До цих матеріалів відносяться тіконд та термоконд.З цих матеріалів виготовляють термостабільні та керамічні конденсатори. Сегнетокераміка має велику діелектричну проникність { =1000...4500), яка в області температур нижче точки Кюрі значно залежить від напруженностіелектричного поля. |
Схожі:
|
Пасинков В. В., Сорокин В. С. Материалы електронной техники ... |
ЕРЫВНОГО ОБУЧЕНИЯ ЕВРОПЕЙСКОГО СОЮЗА ЕВРОПЕЙСКИЕ МОДУЛИ ЖАНА МОНЕ... Интеграционные приоритеты Украины в современном геоэкономическом пространстве: материалы научно-практической конференции «Интеграционные... |
|
Программа: 1 Основные понятия Знать требования техники безопасности и факторы возможного вредного влияния компьютера на состояние здоровья |
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua