Задание- Ознакомится с теоретическими сведениями по электропроводности твердых диэлектрических матер

Работа добавлена на сайт samzan.net:

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Цель работы: исследование температурной зависимости электропроводности твёрдых диэлектриков.

Задание:

1.  Ознакомится с теоретическими сведениями по электропроводности твердых диэлектрических материалов.
2.  Изучить принцип работы лабораторной установки.
3.  Для образцов твёрдых диэлектриков экспериментально определить температурные зависимости удельных объёмных и поверхностных электропроводностей.
4.  Определить энергию активации носителей заряда.
5.  Объяснить результаты эксперимента.

Краткие теоретические сведения.

Твёрдые диэлектрики являются частью изоляционных конструкций, а также имеют специальное использование в различных областях науки и техники.

В зависимости от условий эксплуатации к материалам, используемым в электронной аппаратуре, предъявляются жёсткие и разносторонние требования. Вот некоторые из них: изоляционные материалы должны иметь низкие диэлектрические потери, высокую электрическую прочность; материалы должны быть лёгкими, механически прочными, не должны бояться вибраций, нагрузок; должны обеспечить надёжную эксплуатацию как при температуре 150 - 200°С, так и при -60 - -80°С и т.д.

По функциям, выполняемым в аппаратуре и приборах, диэлектрические материалы подразделяют на электроизоляционные конденсаторные (пассивные диэлектрики) и управляемые (активные диэлектрики).

Под изоляционным материалом понимают диэлектрик, применяемый с целью создания условий, препятствующих нейтрализации электрических зарядов. В этом случае его роль чисто пассивная. Хотя один и тот же материал можно употреблять как для изготовления изоляции, так и как диэлектрик в электрическом конденсаторе, между принципом его использования и предъявляемыми к нему требованиями имеются существенные различия. Так, в диэлектрике конденсатора может запасаться, а потом отдаваться в цепь электрическая энергия. Иногда конденсатор используется для разделения цепей постоянного и переменного тока, для изменения сдвига фазы и т.д.

Если для электроизоляционного материала желательна, возможно, меньшая величина относительной диэлектрической проницаемости, то для диэлектрика конденсатора желательно возможно большее значение ε.

Конденсаторы с управляемыми (активными) диэлектриками могут быть использованы для усиления сигналов по мощности, для создания различных преобразователей, элементов памяти и т.д. В классификационной схеме управляемые диэлектрики, в свою очередь, делятся по принципам управления (рисунок 1). Особое место занимают электреты - вещества с большой и длительно сохраняющейся остаточной поляризацией.

В дальнейшем деление всех материалов осуществлено на основе особенностей строения их в тех состояниях, в которых они применяются на практике, а, следовательно, и особенностей их свойств. К таким особенностям относятся: инертная высокополимерная структура пластичных в технологии материалов (пластмасс), высокоэластичное состояние других полимерных материалов (эластомеров, каучуков), волокнистое строение, монокристалличность, поликристалличность, стеклообразное состояние. Из-за большого разнообразия применяемых на практике диэлектриков, различиях свойств и некоторых, исторически сложившихся традиций подразделений материалов, такую классификацию не всегда удаётся строго выдерживать.

Полная проводимость диэлектрика складывается из объёмной и поверхностной проводимостей.

Рисунок 1 Классификация диэлектрических материалов

Объемная электропроводность.

Она обусловлена как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов. В твёрдых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, вырываемых из решётки под влиянием флуктуации теплового движения. При высоких температурах движутся основные ионы кристаллической решётки (рисунок 2).

Рисунок 2 Зависимость электропроводности от температуры (изменение угла наклона линии обусловлено различной энергией активации переноса иона)

В диэлектриках с атомной или молекулярной решёткой электропроводность зависит от наличия примесей. Собственная электропроводность твёрдых тел и изменение её под воздействием температуры определяется структурой вещества и его составом.

В кристаллических телах с ионной решёткой электропроводность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одновалентными ионами обладают большей удельной проводимостью, чем кристаллы многовалентными ионами. Так, для кристалла NaCl удельная проводимость значительно больше, чем для кристаллов MgO или А12О3.

В кристаллических телах с молекулярной решёткой (сера, полиэтилен, парафин) удельная проводимость мала и определяется только примесями.

Величина удельной проводимости аморфных тел связана, прежде всего, с их составом.

Высокомолекулярные органические полимеры обладают удельной проводимостью, зависящей в значительной степени от ряда факторов: от химического состава и наличия примесей, от степени полимеризации, oт степени вулканизации, (для эбонита). Органические нейтральные аморфные диэлектрики, как например полистирол, отличаются очень малой удельной проводимостью.

Большую группу аморфных тел составляют неорганические стёкла. Их удельная проводимость зависит главным образом от химического состава, что даёт в ряде случаев возможность получать заранее заданную величину удельной проводимости.

Твёрдые пористые диэлектрики при наличии влаги, даже в малых количествах, резко увеличивают свою удельную проводимость. Высушивание материалов повышает их электрическое сопротивление, но при нахождении высушенных материалов во влажной среде величина сопротивления вновь уменьшается.

Поверхностная электропроводность.

Она обусловлена, как правило, присутствием влаги на поверхности диэлектрика. Вода обладает значительной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы обнаружить заметную проводимость, которая определяется в основном толщиной этого слоя.

Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества и чем чище поверхность диэлектрика.

Все материалы, в зависимости от пределов значений удельного поверхностного сопротивления, обусловленных взаимодействием с влагой, можно подразделить на несколько групп:

1.  не растворимые в воде диэлектрики (рисунок 3);
2.  частично растворимые в воде диэлектрики (рисунок 4);
3.  диэлектрики, имеющие пористую структуру (рисунок 5).

Рисунок 3 Зависимость поверхностного удельного сопротивления от температуры

для нерастворимых в воде диэлектрических материалов.

Не растворимые в воде диэлектрики делятся на две подгруппы:

а) нейтральные и слабополярные - не смачивающиеся водой (парафин, полистирол, янтарь, сера);

б) дипольные и ионные - смачивающиеся водой (канифоль, некоторые виды керамики и др.).

Все материалы подгруппы а) характеризуются высоким удельным поверхностным сопротивлением. Это сопротивление у материалов подгруппы б) во влажной среде ниже, чем у подгруппы а), но может быть и достаточно большим при полном отсутствии загрязнений на их поверхности.

Рисунок 4 Зависимость поверхностного удельного сопротивления от температуры

для частично растворимых в воде диэлектрических материалов.

Частично растворимые в воде диэлектрики. К этой группе относится большинство технических стёкол. Таким материалам свойственно более низкое удельное поверхностное сопротивление, в значительной мере зависящее от влажноеi и окружающей среды.

Рисунок 5 Зависимость поверхностного удельного сопротивления от температуры

для диэлектрических материалов, имеющих пористую структуру.

Диэлектрики, имеющие пористую структуру. К этим диэлектрикам относятся волокнистые материалы, мрамор и большинство пластмасс. Благодаря пористой структуре во влажной среде эти материалы обнаруживают большую удельную поверхностную проводимость.

Материалы печатных плат.

В качестве конструкционных и электроизоляционных материалов низкочастотных цепей широко применяют слоистые пластмассы (гетинакс, текстолит, материалы группы FR и др.), в которых основой является тот или иной листовой волокнистый материал.

Гетинакс получают горячей прессовкой бумами пропитанной фенолформальдегидной смолой или другими смолами этого же типа. Свойства гетинакса, предназначенного для использования в электронной аппаратуре, приведены в [l].

Дугостойкость гетинакса, как и других фенолформальдегидных пластмасс, невысока. После действия разряда на поверхности материала остаётся науглероженный "след", обладающий значительной проводимостью.

Вследствие слоистого строения гетинакса электрические свойства в перпендикулярном и параллельном направлениях различны. Так, например, удельное сопротивление гетинакса вдоль слоев в 50 100 раз ниже, чем поперёк слоев; электрическая прочность в 5-8 раз ниже, чем поперёк.

Для изготовления печатных схем низкочастотных цепей электронной аппаратуры используют фольгированный гетинакс. Он представляет собой гетинакс, облицованный с одной или двух сторон электролитической красномедной фольгой толщиной 0,035-0,05 мм.

Текстолит аналогичен гетинаксу но изготовляется не из пропитанной бумаги, а из пропитанной хлопчатобумажной ткани.

Исходя из справочных данных [l], можно сделать вывод, что электрические и механические свойства при статическом приложении нагрузки у текстолита из хлопчатобумажной ткани ниже, чем у гетинакса, зато он имеет повышенную (по сравнению с гетинаксом) стойкость к истиранию и сопротивление раскалыванию при вдавливании клина в торец доски. В качестве варианта текстолита используется материал, называемый стеклотекстолитом. Он выполнен аналогично текстолиту, но в основе его структуры лежит стеклоткань.

Все электроизоляционные материалы способны быстро терять свои свойства, что требует особого внимания при хранении и использовании на монтаже.

Теория эксперимента

Через диэлектрик, помещённый во внешнее электрическое поле, протекает ток, имеющий две составляющие. Одна из них характеризует объёмную проводимость материала, другая - поверхностную.

Таким образом, эквивалентная схема активного сопротивления диэлектрика может быть представлена в виде параллельного соединения двух сопротивлений: RV- объёмного и RS - поверхностного. На практике стремятся измерить каждую из этих составляющих. Для этого используют образцы диэлектриков с системой трёх электродов: измерительного, высоковольтного и охранного кольца.

Введение охранного кольца обусловлено необходимостью выполнения следующих моментов:

1.  Разделения поверхностной и объёмной составляющих токов проводимости (рисунок 6,а).
2.  Повышения однородности электрического поля вблизи торцов электродов (рисунок 6,б).

Рисунок 6 Схема измерения объёмного «а» и поверхностного «б» сопротивлений диэлектриков: 1 - охранный; 2 - образец диэлектрика; 3 - измерительный;

4 - гальванометр; 5 - источник питания; 6 - высоковольтный электрод.

Очевидно, что однородность поля тем выше, чем меньше величина отношения . Согласно рисунку, объёмно-остаточная электропроводность диэлектрика может быть рассчитана:

,

где γ - электропроводность Ом-1 × См-1;

SЭФ - эффективная площадь измерительного электрода, определяемая следующим образом:

.

В случае выполнения условия D » 10d влиянием неоднородности электрического поля при определении RV можно пренебречь и использовать более простую, двухэлектродную систему (без охранного кольца).

При определении поверхностного сопротивления используется та же система электродов. Поверхностная электропроводность определяется с точностью до 3 - 5%:

, .

Лабораторная установка

Назначение

Измеритель электропроводности ИЭП1-03 (в дальнейшем по тексту прибор) предназначен для проведения лабораторного практикума в ВУЗах. Прибор применяется самостоятельно или в составе комплекса МУК-РМ1. Прибор предназначен для исследования температурных зависимостей сопротивления постоянному току металлических, полупроводниковых и диэлектрических образцов.

Условия эксплуатации - лабораторные:

•  Температура окружающей среды от 283 до 308 К (от+10 до+35 °С);
•  Относительная влажность до 80% при температуре 298 К (+25 °С);
•  Атмосферное давление 100 + 4 кПа (750 ± 30 мм рт. ст.);
•  Напряжение питающей сети 220 ± 20 В частотой 50 Гц.

Электрические параметры и характеристики

1.  Диапазон измеряемых прибором сопротивлений от 0 до 9.912 Ом.

Диапазон измеряемых сопротивлений при использовании линейной шкалы от 0 до 9.99*104 Ом перекрывается поддиапазонами с верхними пределами 9.99*101; 9.99*102; 9.99*103; 9.99*104 Ом.

Диапазон измеряемых сопротивлений при использовании обратно пропорциональной шкалы от 1.0*105 до 9.9*1012 Ом перекрывается поддиапазонами с нижними пределами 1.0*105; 3.0*105; 1.0*106; 3.0*106; 1.0*107; 3.0*107; 1.0*108; 3.0*108; 1.0*109; 3.0*109; 1.0*1010; 3.0*1010; 1.0*1011; 3.0*1011; 1.0*1012; 3.0*1012.

При этом падение напряжения на измеряемом объекте при использовании линейной шкалы является функцией показаний прибора, т.е. зависит от сопротивления измеряемого объекта и может изменяться от 0 до 1 В. При использовании обратно пропорциональной шкалы напряжение на измеряемом объекте постоянно и равно 10В.

1.  Основная погрешность прибора при измерении с линейной шкалой, выраженная в процентах от конечного значения установленного поддиапазона измерения, не превышает ± 2,5%. Основная погрешность прибора при измерении с обратно пропорциональной шкалой, выраженная в процентах от конечного значения установленного поддиапазона измерения, не превышает ± 10%.
2.  Время установления показаний прибора не более:

5 с - при использовании линейной шкалы;

30 с - при использовании обратно пропорциональной шкалы с нижними пределами 1.0*105;

3.0*105; 1.0*106; 3.0*106; 1.0*107; 3.0*107; 1.0*108; 3.0*108; 1.0*109; 3.0*109; 1.0*1010; 3.0*1010; 1.0*1011 3.0*1011

5 мин - при использовании обратно пропорциональной шкалы с нижними пределами 1.0*1012; 3.0*1012

1.  Максимальная температура термокамеры 150 °С;
2.  Емкость нагрузки при использовании линейной шкалы не более 100 пФ;
3.  Емкость нагрузки при использовании нелинейной шкалы не более 10 нФ;

Органы управления

Рисунок 7 Внешний вид прибора и назначение органов управления

Внешний вид прибора представлен на рисунке 7. На передней панели прибора расположены:

1.  индикатор шкалы;
2.  кнопки выбора поддиапазона;
3.  индикатор результата измерения;
4.  кнопки выбора температуры;
5.  индикатор температуры
6.  индикатор нагрева;
7.  кнопка выключателя "Сеть";
8.  индикатор связи с ЭВМ;
9.  кнопка переключения канала;
10.  индикатор выбора канала;
11.  термокамера.

ВНИМАНИЕ меры предосторожности:

Запрещается вставлять и вынимать вилку питания при нажатой кнопке «Сеть».

Порядок работы с блоком

Включите кнопку "Сеть" 7 (Рисунок 2), при этом загорится индикатор шкалы 1, индикатор результата измерения 3, индикатор выбора температуры 5, индикатор выбора канала 10.

Подымите шторку термокамеры 11. Вставьте измерительную камеру ИК1 до упора. При этом шторка термокамеры должна опуститься.

Кнопками 2 установите требуемый поддиапазон. При этом индикатор 1 укажет на выбранную шкалу (шкала 0-10 - линейный режим работы, а шкалы 1-3 и 3-10 - обратно пропорциональный режим работы).

Кнопкой 9 установите требуемый канал для измерения. Контроль выбора канала осуществляется с помощью индикатора 10.

С помощью кнопок 4 установите требуемое значение температуры термокамеры. При этом нажатии кнопки на индикаторе 5 высветится установленное значение температуры. При повторном нажатии кнопки произойдет коррекция устанавливаемой температуры. Через 2 секунды после завершения установки индикатор 5 перейдет в режим отображения текущей температуры.

Для отключения терморегулятора необходимо установить температуру менее 30°С При этом на экране высветится сообщение «OFF».

При работе прибора на индикаторе 1 могут отображаться следующие сообщения:

•  L - измеряемое сопротивление ниже выбранного поддиапазона;
•  Н - измеряемое сопротивление выше выбранного поддиапазона.

Измерительная камера

Измерительная камера ИК1/2-2, предназначена для изучения сопротивления диэлектриков.

Материал исследуемого образца – текстолит толщина d = 2 мм, параметры измерительных электродов q = 3 мм, D = 60 мм. Предельная температура нагрева камеры 100°С.

Порядок выполнения работы

1.  Изучить теоретические сведения об электропроводности диэлектриков.
2.  Изучить лабораторную установку измеритель электропроводности ИЭП1-03, его электрические параметры и характеристики, органы управления и индикации.
3.  Получить у преподавателя измерительную камеру с исследуемым образцом и установить в измеритель электропроводности ИЭП1-03.
4.  Произвести измерение RS RV лабораторных условиях.
5.  Задать нагрев образца до температуры 100°С.
6.  И через каждые 10°С регистрировать величины RS RV.
7.  Построить графики зависимости RS = f(T) и RV = f(T).
8.  Рассчитать энергию активации носителей заряда.
9.  Сравнить полученные значения со справочными и сделать вывод об исследуемом материале.

Примечание для магистрантов (измерения и расчеты производить с учетом точности измерения, обеспечиваемой прибором).

Библиографический список

1.  Справочник по электротехническим материалам /Под ред. Ю,В,Корицкого, В,В,Пасынкова и Б,М,Тареева.-М.: Энергия, т.1, 1974, 583 с; т.2, 1974, 616 с; т.3, 1976, 895 с.
2.  Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. Кикоина И.К. М.: Атомиздат, 1976.— 1008с.

1. 0913 В http---wwwvimeo
2. вариантов вариант рисуночной методики
3. Доклад- Социальная дезадаптация
4. продажи Розничная купляпродажа
5. СОЦИОЛОГИЯ ПОЛИТИЧЕСКОЙ ПАРТИИ В УСЛОВИЯХ ДЕМОКРАТИИ Лейпциг 1911 Тезис о неограниченной власти в
6. на тему - Прихід до влади Людовіка XI Виконала- студентка ІІ курсу
7. .1770 24.03.1844 один из величайших скульпторов родился в Копенгагене
8. графическими редакторами
9. ТЕМА 1- ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИНАНСОВОГО МЕНЕДЖМЕНТА 1.
10. тематичні напрямки конференції- Загальнотеоретичні та історикоправові питання розвитку інституту а
11. Государственное управление предприятием в переходной экономике.html
12. Места антидепрессантов в терапии фобий
13. Значение и функции бухгалтерского баланса в системе бухгалтерской отчетности
14. Проблемы акционирования средств массовой информации
15. УТВЕРЖДАЮ РЕСТОРАН СТАНДАРТ ПОДАЧИ НАПИТКОВ Первый или единствен.html
16. рефератов темы вбираем сами так как их много Влияние плавания на организм человека Нурсаяпова Л А ЗАБИТО
17.  When Betle die in 2001 Which TV is wste of time
18. Рекреаційне господарство України
19. ПРАВО ВЛАСНОСТІ НА ЗЕМЛЮ Особливості права власності на землю полягають у тому що згідно зі ст
20. IT-практикум DELPHI и AutoCAD

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе