Tallinna Tehnikaülikool Elektroenergeetika instituut ELEKTRIMATERJALID Laboratoorne töö nr 2 Dielektrilise läbivuse ja dielektrilise kaonurga mõõtmine Q-meetriga Juhendaja: Üliõpilased: Tallinn SISUKORD 1.Sissejuhatus........................................................................................................ 3 2.Proovitava materjali kirjeldus välisvaatluse alusel..............................................3 3
Variant 1 1. Gaaside läbilöögimehhanism. 2. Dipoolpolarisatsioon tekkemehhanism ja põhilised seosed. 3. Dielektrikukadude kaonurga tangensi definitsioon ja vektordiagramm. 4. Millised materjalid on pehmemagnetmaterjalid? 5. Millises vahemikus asub dielektrikute mahueritakistus? 6. Dielektrikute elektrijuhtivuse mõiste; elektrijuhtivuse seos laengukandjate kontsentratsiooni ja liikuvusega. 7. Mis on aatomite elektronegatiivsus? 8. Materjalide liigitus magnetiliste omaduste põhjal. 9. Kuidas sõltub metallide eritakistus temperatuurist? Variant 2 1
või väheneb soojusvõnkumise tagajärjel e korda. suureneb Esineb peamiselt polaarsetes vedelikes ja gaasides Variant 2 ning ka orgaanilistes tahketes dielektrikutes. 1. Vedeldielektrikute läbilöögimehhanism. 2. Dielektrikukadude kaonurga tangensi Vedeldielektrikute läbilöök sõltub suuresti lisandite konsentratsioonist selles. Eristatakse definitsioon ja vektordiagramm. sillakeste, puhta elektrilise läbilöögi ja soojusliku Dielektrikukadude kaonurga tangens on võrdne:
Kondensaatorite tunnussuurused Nimimahtuvus kondensaatorile ettenähtud mahtuvuse suurus Mahtuvushälve ehk tolerants lubatud kõrvalekalle nimimahtuvusest Nimipinge maksimaalne alalispinge, millele kondensaator kestval töötamisel vastu peab Mahtuvuse temperatuuritegur suurus, mis iseloomustab mahtuvuse sõltuvust temperatuurist Isolatsioonitakistus kondensaatori takistus nimipingest madalamale alalispingele Lekkevool kondensaatorit nimipingel läbiv vool Kaonurga tangens suurus, mis iseloomustab kondensaatori võimsuskadusid vahelduvpinge korral Kondensaatorite ehitus ja liigitus Püsikondensaatorid Kilekondensaatorid Keraamikakondensaatorid Kõrgsagedus-keraamikakondensaatorid Senjett-keraamikakondensaatorid Elektrolüütkondensaatorid Muutkondensaatorid Häälestuskondensaatorid Seadekondensaatorid
Nimetatud tegureid arvestades tuleks vaadelda kondensaatorit joonisel 2.1 toodud aseskeemi kohaselt. JOONIS 2.1 Vaadeldaval aseskeemil kajastab Rp isolatsioonitakistust, Rs plaatide materjali takistust ja L kondensaatori induktiivsust ning C kondensaatori põhiparameetrit, s.o. mahtuvust Kadude määramise lihtsustamiseks võetakse kõik kondensaatori kaod kokku ühte järjestiktakistusse Rs ja väljendatakse nad nn. kaonurga tangensina: tg = RS/XC = RSC Toodud valemist selgub, et kaonurga tangens sõltub sagedusest. Reaalselt on see sõltuvus aga veelgi keerulisem. sest ka kadusid arvestav takistus sõltub sagedusest. Joonisel 2.2 on toodud näitena enamlevinud kondensaatorite kaonurga tangensi sagedussõltuvused. JOON.2.2. Kondensaatorite valikul tuleb aga kindlasti ühe või teise kondensaatoritüübi sobivust käsutatavale sagedusele kontrollida tootevfirma kataloogi abil. Püsikondensaatorid
Esimeseks põhiliigiks on püsikondensaator, mis jaguneb omakorda veel neljaks. 1. Kilekondensaatorid 2. Kõrgsagedus 3. Senjett keraamikakondensaatorid 4. Elektrolüütkondensaatorid Teiseks põhiliigiks on muutkondensaatorid, mis jaguneb kolmeks. 1.Häälestuskondensaatorid 2.Seadekondensaatorid 3. Superkondensaatorid Kondensaatori tunnussuurused Nimimahtuvus Mahtuvushälve ehk tolerants Nimipinge Mahtuvuse temperatuuritegur Isolatsioonitakistus Lekkevool Kaonurga tangens . Kilekondensaator Nende materjaliks on metalliseeritud isolatsioonkile . Suure mahtuvuse ja kõrge tööpingega kondensaatorid. Mahtuvus nanofararditest kümnete mikrofararditeni. Kilekondensaatorite monteerimisel ei ole suunal põhimõttelist tähtsust. Keraamikakondensaatorid Senjett Kõrgsagedus Elektrolüütkondensaator Suure mahtuvusega püsikondensaator Superkondensaator Ülikondensaator.
TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL Elektroenergeetika instituut 0 Elektrimaterjalid Praktikum Praktikum nr.2 Dielektrilise läbitavuse ja dielektrilise kaonurga mõõtmine Q-meetriga. Üliõpilased: Kaisa Kaasik, Kaupo Eerme, Heiki Beres, Sergei ... Juhendaja: Paul Taklaja Tallinn, 2008 Proovitava materjali kirjeldus Välisvaatlusel tundus proovitav materjal olevat linoleumi sarnane plast.
elektriväli, siis dipoolid püüavad orienteeruda oma telgedega el.välja suunas, kuid seda takistab molekulide pidev soojusvõnkumine. Dipoolpolarisatsioon on võimalik ainult siis, kui molekulaarjõud ei tõkesta dipoolide orienteerumist el.väljas. Dipoolsete molekulide orienteerumine el.väljas on seotud sisehõõrdumisega ja energiakadudega, mille tagajärjelt dielektrikus eraldub soojus. Kui el.välja ei ole, siis ei ole ka summaarset momenti. Dielektrikukadude kaonurga tangensi definitsioon ja vektordiagramm Millised materjalid on pehmemagnetmaterjalid? Pehmemagnetmaterjale iseloomustab kitsas hüstereesisilmus, suur magnetiline läbitavus µ ja ümbermagneetimiskaod on väikesed. Millises vahemikus asub dielektrikute mahueritakistus? 109...1020 cm Dielektrikute elektrijuhtivuse mõiste; elektrijuhtivuse seos laengukandjate kontsentratsiooni ja liikuvusega Dielektrikute elektrijuhtivus on väga väike. Oma
· Mahtuvushälve ehk tolerants lubatud kõrvalekalle nimimahtuvusest. · Nimipinge maksimaalne alalispinge, millele kondensaator kestval töötamisel vastu peab. · mahtuvuse temperatuuritegur suurus, mis iseloomustab mahtuvuse sõltuvust temperatuurist. · Isolatsioonitakistus kondensaatori takistus nimipingest madalamale alalispingele. · Lekkevool kondensaatorit nimipingel läbiv vool. · Kaonurga tangens suurus, mis iseloomustab kondensaatori võimsuskadusid vahelduvpinge korral. Kondensaatorite ühendused. Rööpühenduse korral mahtuvused liituvad, jadaühenduse korral on kogumahtuvuse pöördväärtus võrdne erinevate kondensaatorite mahtuvuste pöördväärtuste summaga. Kondensaatori mahtuvus Kondensaatori põhiomadus on mahtuvus, mida mõõdetakse faradites, ühiku tähis F.
jt sõltuvat lahendit Ê ja H teguriga e ning saame reaalosa kujul Võib näidata, et rakendades analoogset protseduuri komplekssetele amplituudidele saame komplekssed aeg-hormoonilised Maxwelli võrrandid integraalkujul. Edasi viime sisse kompleksse dielektrilise läbitavuse. Teisendame esimest võrrandit (2.3.6) kasutades (2.3.7) Seega komplekssele dielektrilisele läbitavusele vastab suurus Kus suhet nimetatakse kaonurga tangensiks. On näha, et 7. Lainevõrrandid. Elektrodünaamilised potentsiaalid. http://study.risk.ee/files/2011/06/lainevaljad.pdf 5.1 & 5.2 3. ELEKTROMAGNETILISED LAINED 1. Lainelise protsessi mõiste. Kui a >> , a domineerivad nihkevoolud, välja seos juhtivusvooluga on nõrk, kaod väikesed. Suhteliselt kõrgetel sagedustel domineerivad elektromagnetilise välja lainelised omadused.
hõlbustamine. Kõige sagedamini kasutatavad vedelikud on naftast valmistatud isoleerõlid. Traditsiooniliselt on neist kasutusel trafoõli, kondensaatoriõli ja kaabliõli. Trafoõli kasutamiseks ka poorsete isoleermaterjalide immutamiseks ja õlilülitites elektrikaare kustutamiseks. Trafoõli põhiomadused: Suhteline dielektriline läbitavus 2,1 ...2,3 Mahueritakistus 1010 ....1013 Kaonurga tangens 0,001...0,02 Elektriline tugevus 20...40 kV/mm 2.3 Tahked isoleermaterjalid Tahked isoleermaterjalid moodistavad kõige suurema isoleermaterjalide grupi. Kasutatakse nii looduslikke kui ja tehismaterjale. Laiemalt on levinud tehismaterjalid, kuna neid saab valmistada ette antud elektriliste, mehaaniliste ja füüsikalis-keemiliste omadustega. 2.3.1 Polümeerid
materjal. 31. Millist puidu füüsikalist omadust saab mõõta elektrimõõteriistaga? Puidu niiskust. 32. Millisel tehnoloogilisel protsessil on oluline teada puidu läbilöögitugevust? (Läbilöögipinge on pinge, mille korral toimub juhtidevahelise isolatsiooni läbilöök. Läbilöögitugevust väljendatakse ühikutes kV/mm) Puidu liimimisel kõrgsageduspressidel ja kõrgepingeliinide projekteerimisel. 33. Mida iseloomustab puidu kaonurga tangens ja millistel tehnoloogilistel protsessidel on see oluline? Kaonurga tangens iseloomustab, milline osa kõrgsagedusvälja energiast hajub soojusenergiana. Puidu tan δ sõltub ka valjasagedusest (oluline kõrgsageduskuivatuses ja liimimisel). 34. Milline on heli levimise kiirus piki- ja ristikiudu puidu 5…7% niisukse juures? Puit pikikiudu 3800…4800 (W=5…7%)
· Mahtuvushälve ehk tolerants lubatud kõrvalekalle nimimahtuvusest. · Nimipinge maksimaalne alalispinge, millele kondensaator kestval töötamisel vastu peab. · mahtuvuse temperatuuritegur suurus, mis iseloomustab mahtuvuse sõltuvust temperatuurist. · Isolatsioonitakistus kondensaatori takistus nimipingest madalamale alalispingele. · Lekkevool kondensaatorit nimipingel läbiv vool. · Kaonurga tangens suurus, mis iseloomustab kondensaatori võimsuskadusid vahelduvpinge korral. 2.11.1 Kondensaatorite liigitus ja ehitus Kilekondensaatorid - Dielektrikuks võib olla 1...30 m paksune polüester, polükarbonaat, polüpropeen või polüstüreen, mille dielektriline läbitavus on 2...4. Elektroodidena kasutatakse õhukest fooliumi, paksus 5 m, või kilele sadestatud alumiiniumi õhukest kihti.
Tahke dielektriku elektriline tugevus sõltub oluliselt: · isolatsiooni konstruktsioonist · valmistamistehnoloogiast · kasutatavatest materjalidest · materjalide puhtusest 51. Tahkete dielektrikute soojuslik läbilöök Selgituseks lihtne näide: Dielektriku temperatuur igas punktis on . Sellele dielektrikule on rakendatud vahelduvpinge U. Dielektrikuskadude arvelt tekib dielektrikus soojushulk Qs, Qs = CU2 tan , kus: C isolatsiooni mahtuvus = 2f 314 tan - dielektrikuskadude kaonurga tangens Dielektrikust eraldub ümbritsevasse keskkonda soojushulk Qü, Qü = k S ( -ü ) kus: k soojusvahetuse tegur S isolatsiooni pind, millelt soojus kandub ümbritsevasse keskkonda ü ümbritseva keskkonna temperatuur Enamik dielektrikute tan suureneb temperatuuri tõustes. Joonis 3.17 Kaonurga tangensi tan sõltuvus temperatuurist 52. Vesipuud ja dendriidid tahketes dielektrikutes Dendriidid ja vesipuud tekivad tahke isolatsiooni pikaajalisel vananemisel. Põhjused:
sagedused · Lisaks sellele elektrolüütkondensaatoritel kasvab energiakadu sagedustel üle 2...3 KHz järsult. See vool sõltub omakorda veel kondensaatorile rakendunud alalispinge komponendist. Sellist moonutust saab vähendada kui ühendada elektrolüütkondensaatoriga rööbiti paberkondensaator või plastkondensaator, sest nendel on ka kõrgetel helisagedustel dielektriku kaonurga tangens vähemalt 10 korda väiksem ja puudub ventiili toime. Elektrolüütkondensaatori mittelineaarsed omadused ilmnevad eriti just kõrgetel sagedustel (üle 3 kHz) ja temaga rööbitise paberkondensaatori mahtuvus võib elektrolüütkondensaatori mahtuvusest olla 10...100 korda väiksem. Võimsusvõimendit võib toita stabiliseerimata või stabiliseeritud toiteallikast. Stabiliseerimata
Voolu kulgedes läbi sellise materjali kuumenevad osakesed erinevalt, osakestevahelised kontaktpinnad muutuvad, osakesed hakkavad liikuma, samuti tekivad materjalis mitmesugused elektrokeemilised protsessid. 42. Selgitada, kuhu on kontsentreeritud kaod kondensaatoreis, millise parameetriga on nad määratud. On kontsentreeritud mitte plaatide vaid dielektrikusse ning on määratud dielektrilise materjali kaonurga tangensiga. 43. Millest on tingitud kaod kõrgsageduspoolides? Kadu = vaseskaod + pinnaefekti kadu + lähedusefekti kadu (keerdude magnetväljad indutseerivad üksteist pöörisvoolusid, mis ühes osas liituvad voolule ja teises osas vähendavad seda mida suurem on pooli diameeter, seda väiksem on) + pooli varjestuses indutseeritud pöörisvoolude takistus + raudsüdamiku takistus + pooli karkassi ja pooli traadi isolatsiooni kaod.
kihistuvate, söestuvate) dielektrikute soojusliku läbilöögi pinge on madalam. Soojusliku läbilöögi pinget võib lihtsustatult arvutada eeldusel, et dielektrik on lihtsa risttahuka kujuga, millele tasapinnalised elektroodid on paigutatud tahuka vastastahkudele Lihtne dielektriku mudel soojusliku läbilöögi arvutamiseks Dielektrik on homogeenne ja soojuseraldus on selle igas punktis ühesuurune. Dielektriline läbitavus on e, kaonurga tangens ümbruse temperatuuril t0 on tan d0. Eeldame, et kaod on peamiselt tingitud elektrijuhtivusest. Elektrokeemiline läbilöök See läbilöök tekib siis, kui materjali takistus oluliselt ja pöördumatult väheneb näiteks kõrge temperatuuri ja ümbruse suure niiskuse tõttu. Sellistes oludes toimub orgaanilistes dielektrikutes tavaliselt elektrokeemiline vananemine. Elektrokeemilise läbilöögi hulka
Nimetatud tegureid arvestades tuleks vaadelda kondensaatorit joonisel 2.1 toodud aseskeemi kohaselt. JOONIS 2.1 Vaadeldaval aseskeemil kajastab Rp isolatsioonitakistust, Rs plaatide materjali takistust ja L kondensaatori induktiivsust ning C kondensaatori põhiparameetrit, s.o. mahtuvust Kadude määramise lihtsustamiseks võetakse kõik kondensaatori kaod kokku ühte järjestiktakistusse Rs ja väljendatakse nad nn. kaonurga tangensina: tg = RS/XC = RSC Toodud valemist selgub, et kaonurga tangens sõltub sagedusest. Reaalselt on see sõltuvus aga veelgi keerulisem. sest ka kadusid arvestav takistus sõltub sagedusest. Joonisel 2.2 on toodud näitena enamlevinud kondensaatorite kaonurga tangensi sagedussõltuvused. ELEKTROONIKAKOMPONENDID lk. 12 JOON.2.2.
polü- vinüülkloriid, tekstoliit). Polaarse aine molekul moodustab elektrilise dipooli, s.t. süsteemi, kus kaks võrdset vastasmärgilist laengut asuvad üksteisest teatud kaugusel. Dielektrikut iseloomustavad järgmised elektrilised omadused: polarisatsioon, elektrijuhtivus, dielekt- rikuskaod ja elektriline tugevus. Neid dielektriku omadusi iseloomustavad suhteline dielektriline läbitavus , eritakistus , kaonurga tangens tan ja läbilöögitugevus El. Nende näitajate sisuga tutvume järgmistes alapunktides. 47) Pooljuhid ja nende kasutamine Pooljuhtideks nimetatakse elektrimaterjalide klassikalise liigituse alusel materjale, millede eritakistus on dielektrikute ja juhtide vahepealne, olles vahemikus 10 -6...108 m. Pooljuhtmaterjalide eritakistus sõltub eelkõige koostisest (väga olulised on lisandid), valmistamise tehnoloogiast ja välismõjudest
tehnilistele tingimustele vastava kõige optimaalsema dielektrikuskaod ja elektriline tugevus. Neid dielekt- lahenduse. Juba klassikaliseks muutunud liigituse riku omadusi iseloomustavad suhteline dielektriline järgi jagunevad elektrimaterjalid: dielektrikud (iso- leermaterjalid), pooljuhid, elektrijuhid, magnetmater- läbitavus , eritakistus , kaonurga tangens tan ja jalid. Kolme esimese liigi määramisel on tavaliselt läbilöögitugevus El. Nende näitajate sisuga tutvume 7 järgmistes alapunktides. aluseks materjali eritakistus: dielektrikud =10 ... 17 -6 8 10 m; pooljuhid =10 ... 10 m; juhid Dielektrikute polarisatsioon -8 -5 = 10 ... 10 m.
annaabi.ee 
