Экспериментальные исследования диэлектрических свойств материалов
Экспериментальные исследования диэлектрических свойств материалов
Цель работы: определение диэлектрической проницаемости и поляризационных характеристик различных диэлектриков, изучение электрических свойств полей, в них исследование линейности и дисперсии диэлектрических свойств материалов.
Теоретическая часть:
Схема экспериментальной установки.
В эксперименте используются следующие приборы: два вольтметра PV1 (стрелочный) и PV2 (цифровой) , генератор сигналов низкочастотный, макет-схема, на которой установлен резистор R=120 Ом, конденсатор, состоящий из набора пластин различных диэлектриков (толщиной d=2 мм) .
Собираем схему, изображенную на РИС. 1. Ставим переключатель SA в положение 1. Подготавливаем к работе и включаем приборы. Подаем с генератора сигнал частоты f = 60 кГц и напряжением U=5 В, затем по вольтметру PV1 установить напряжение U1=5 В. Далее, вращая подвижную пластину, измеряем напряжение U2 для конденсатора без диэлектрика и 4-x конденсаторов с диэлектриками одинаковой толщины. При этом напряжение U1 поддерживаем постоянным.
Напряженность поля между пластинами в вакууме Е
0 вычисляется по формуле:
где
При внесении пластины в это поле диэлектрик поляризуется и на его поверхности появляются связанные заряды с поверхностной плотностью
. Эти заряды создают в диэлектрике поле
, направленное против внешнего поля
, и имеет величину:
. Результирующее поле:
. В электрическом поле вектор поляризации:
, где c - диэлектрическая восприимчивость вещества. Связь модуля вектора поляризации с плотностью связанных зарядов:
.
относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Вектор электрической индукции
. Этот вектор определяется только свободными зарядами и вычисляется как
. В рассматриваемой задаче на поверхности диэлектрика их нет. Вектор D связан с вектором Е следующим соотношением
.
Экспериментальная часть:
В данной работе используются формулы:
, где S - площадь пластины конденсатора, d - расстояние между ними. Диэлектрическая проницаемость материала:
. Для емкости конденсатора имеем:
, где U
1 - напряжение на RC цепи, U
2 - напряжение на сопротивлении R, f - частота переменного сигнала. В плоском конденсаторе напряженность связана с напряжением U
1 как:
Опыт №1.
Измерение диэлектрической проницаемости и характеристик поляризации материалов.
U
1
= 5В, R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.
Материал
U
2
, мВ
Воздух
40
Стеклотекстолит
97
Фторопласт
61
Гетинакс
89
Оргстекло
76
С
В
=176 пкФ; С
СТ
=429 пкФ; С
ФП
=270 пкФ; С
ГН
=393 пкФ; С
ОС
=336 пкФ;
;
;
;
;
Для гетинакса подсчитаем:
;
;
;
;
;
;
;
;
Расчет погрешностей:
;
;
;
;
;
(так как
) .
; Опыт № 2.
Исследование зависимости e = f(E) .
R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.
U
1
, В
U
2
, В (воздух)
U
2
, В (гетинакс)
С
0
, пкФ
С,
пкФ
Е,
В/м
e
1
0,009
0,019
200
420
500
2,10
2
0,016
0,036
177
398
1000
2,24
3
0,025
0,052
184
387
1500
2,09
4
0,031
0,070
171
384
2000
2,26
5
0,039
0,086
172
380
2500
2,21
График зависимости e = f(E) - приблизительно прямая, так как диэлектрическая проницаемость не зависит от внешнего поля.
Опыт № 3.
Исследование зависимости диэлектрической проницаемости среды от частоты внешнего поля.
U
1
= 5В, R=120Ом.
f
, кГц
U
2
, В (воздух)
U
2
, В (гетинакс)
Х
С
, кОм (гетинакс)
С
0
,
пкФ
С,
пкФ
e
20
0,015
0,030
20,0
199
398
2,00
40
0,029
0,059
10,2
192
391
2,04
60
0,041
0,089
6,7
181
393
2,07
80
0,051
0,115
5,2
169
381
2,25
100
0,068
0,146
4,1
180
387
2,15
120
0,078
0,171
3,5
172
378
2,18
140
0,090
0,197
3,0
181
373
2,18
160
0,101
0,223
2,7
167
370
2,21
180
0,115
0,254
2,4
169
374
2,21
200
0,125
0,281
2,2
166
372
2,24
По графику зависимости e = F(f) видно, что диэлектрическая проницаемость среды не зависит от частоты внешнего поля. График зависимости Х
С
=F(1/f) подтверждает, что емкостное сопротивление зависит от 1/f прямо пропорционально.
Опыт № 4.
Исследование зависимости емкости конденсатора от угла перекрытия диэлектрика верхней пластиной.
U
1
= 5В, R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м, r=0,06м, n=18.
a,
0
U
2
, В
С,
пкФ
С
теор
, пкФ
0
0,039
172
150
10
0,048
212
181
20
0,056
248
212
30
0,063
279
243
40
0,072
318
273
50
0,080
354
304
60
0,089
393
335
Опыт № 5.
Измерение толщины диэлектрической прокладки.
U
1
= 5В, R=120Ом, f=60 кГц.
Схема конденсатора с частичным заполнением диэлектриком.
U
2
(стеклотекстолит тонкий) =0,051В, U
2
(стеклотекстолит толстый) =0,093В, U
2
(воздух) =0,039В.
С
0
=172пкФ - без диэлектрика; С
1 = 411пкФ - стеклотекстолит толстый; С
1
= 225пкФ - стеклотекстолит тонкий.
;
;
;
;
;
;
;
Вывод:
На этой работе мы определили диэлектрическую проницаемость и поляризационные характеристики различных диэлектриков, изучили электрические свойства полей, в них исследовали линейность и дисперсность диэлектрических свойств материалов.
|
