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.
Сайт управляется системой
uCoz