Исследование частотной зависимости диэлектрической

• Название: Исследование частотной зависимости диэлектрической
• Дата: 10.06.2022
• Размер: 42.62 Kb.
• Имя файла: Lab.podialektr.docx
• Тип: Исследование; #583268

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
исследование частотной зависимостидиэлектрической ПРОНИЦАЕМОСТИ И диэлектрических ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является определение диэлектрической проницаемос­ти и тангенса угла диэлектрических потерь твердого диэлектрика и характера влияния на них частоты изменения электрического поля.

2. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

2.1. Ознакомиться с теорией исследуемого вопроса.

2.2. Ознакомиться с методикой измерения и расчета исследуе­мых параметров диэлектрика.

2.3. Определить значения добротности ( Q₁ и Q₂) и емкости(C₁ иC₂ ) колебательных контуров для заданных значений частоты изменения электрического поля.

2.4. Рассчитать значения емкости ( С_х),тангенса угла диэлект­рических потерь (tgδ_ε) и диэлектрической проницаемости ( ε ) ди­электрика для заданных частот изменения электрического поля.

2.5. Построить графики частотных зависимостей tgδ_ε=φ(f),

ε =φ (f) и провести их анализ.
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ К РАБОТЕ
3.1. Поляризация диэлектрика.
Для диэлектриков, используемых в конденсаторах, основными показателями электрических свойств являются диэлектрическая проницаемость (ε) и тангенс угла диэлектрических, потерь (tgδ_ε). Значения этих показателей зависят от механизмов поляризации. Под поляризацией диэлектрика понимается процесс ограниченного смеще­ния связанных (в атомах, молекулах и кристаллической решетке) за­рядов или ориентации дипольных молекул под воздействием внешнего электрического поля.



По механизмам поляризации диэлектрики подразделяются на неполярные и полярные. К неполярным относятся диэлектрики, молекулы которых не имеют постоянного дипольного момента (центры отрицательных и положительных зарядов совпадают). Для них характерен механизм упругой поляризации за счет упругого смещения связанных зарядов. Примерами неполярных диэлектриков являются полиэтилен, полистирол, фторопласт-4 и др. К полярным относятся диэлектрики, молекулы которых без воздействия внешнего электрического поля имеют дипольный момент (центры противоположных по знаку зарядов не совпадают). Для этих диэлектриков характерно действие механизмов упругой (мгновенной) и дипольно-релаксационной (замедленной) поляризации. Примерами полярных диэлектриков являются целлюлоза, гетинакс, стеклотекстолит и др.

3.2. Диэлектрические потери в диэлектриках.
Под диэлектрическими потерями понимается мощность электрического поля, затрачиваемая на нагрев диэлектрика. К основным ви­дам диэлектрических потерь относятся: потери на электропроводность т.е. обусловленные перемещением свободных зарядов в диэлектрике и потери на поляризацию (характерные для диэлектриков с замедленными видами поляризации).

Тангенс угла диэлектрических потерь является очень важной характеристикой диэлектрика в переменном электрическом поле. Углом диэлектрических потерь (δ_ε)называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз (φ) между напряжением и током в емкостной цепи. Для определения рассеиваемой в диэлектрике мощности используется эквивалентная схема конденсатора и векторная диаграмма (рис.3.1).









Рис.3.1. Эквивалентная схема и векторная диаграмма:

I_Cи I_Q– реактивная и активная составляющие тока в емкостной цепи; R_Q– активное сопротивление, эквивалентное всем видам диэлектрических потерь; Х_С– емкостное сопротивление; δε–угол диэлектрических потерь.



Из векторной диаграммы следует





Активная мощность (мощность потерь)



Из полученного выражения следует, что при фиксированных зна­чениях U, Си f активные потери мощности Р_а в диэлектрике зависят от тангенса угла диэлектрических потерь tgδ_ε . Чем мень­ше значение

tgδ_ε, тем выше качество диэлектрика, так как в нем меньше потерь энергии на нагрев, приводящих к его преждевремен­ному разрушению. У твердых диэлектриков, применяемых в низкочас­тотных и высокочастотных цепях РЭА, минимальные значения tgδ_ε на­ходятся в пределах 0,0002–0,005.

Характер частотных зависимостей tgδ_ε=φ(f) и P_а = φ(f) не­полярных и полярных диэлектриков показан на рис.3.2.


В неполярных диэлектриках имеют место диэлектрические потери только на электропроводность, которые не зависят от частоты изме­нения напряженности электрического поля ( P_а= const). Однако реактивная составляющая мощности растет пропорционально увеличению частоты



Отсюда изменяются по гиперболическому закону.




В полярных диэлектриках к потерям на электропроводность
(tgδ_эрис.3.2, б) добавляются потери на поляризацию (tgδ_п рис.3.2, б), что находит свое отражение в изменении характера частотной
зависимости tgδ_ε= φ(f) , где tgδ_ε = tgδ_э +tgδ_п.

Диэлектрическая проницаемость ε характеризует поляризуемость диэлектриков. Поскольку процесс поляризации диэлектриков внешне проявляется в их способности накапливать заряды (образовывать электрическую емкость), то величину диэлектрической проницаемости определяют измерением емкости конденсатора ( С_х ), между обкладками которого находится испытуемый диэлектрик ( где С₀– емкость воздушного конденсатора).

Величина диэлектрической проницаемости диэлектриков определяется видами поляризации, протекающих в них в зависимости от химического состава и структуры. Наименьшую проницаемость ε ≈ 1имеют газы, для неполярных диэлектриков ε в большинстве случаев, меньше 3, а для полярных твердых диэлектриков ε = 38. Более высокие значения диэлектрической проницаемости (до 250) имеет конденсаторная керамика. Сверхвысокой диэлектрической проницаемостью (ε = 10³10⁴)обладают сегнетоэлектрики.

Характер частотной зависимости ε = φ (f) (рис.3.3) обусловлен временем протекания процессов поляризации и, следовательно, частотами, до которых процессы поляризации успевают следить за изменением электрического поля.



Рис.3.3. Характер частотной зависимости

ε = φ (f)неполярных (1) и полярных (2) диэлектриков

4.Методика измерения
Для определения емкости конденсатора используется прибор «Измеритель добротности». Прибор состоит из генератора электрического тока и измерительного колебательного контура. Упрощенная электрическая схема измерительного контура приведена на рис.3.4.






Рис.3.4. Упрощенная электрическая схема измерительного колебательного контура:

Rи L–сопротивление и индуктивность эталонной катушки; С – переменный конденсатор; С_х и R_x – параметры эквивалентной схемы испытуемого диэлектрика

К клеммам L_xL_xподключается эталонная катушка индуктивности с параметрами Rи L (номер катушки соответствует определенной частоте, указанной в инструкции по работе с прибором). К клеммам С_xС_xподключается образец испытуемого диэлектрика с параметрами R_xиL_x. Настройка измерительного контура в резонанс производится с помощью переменного конденсатора, имеющего шкалу. При этом резонанс фиксируется по максимальному показанию вольтметра, проградуированному в единицах добротности контура (Q = U_c / U₀ ), т.е. по максимальному падению напряжения на емкости контура.

Определение емкости образца диэлектрика С_х производится путем двухкратной настройки колебательного контура в резонанс. Первая настройка контура производится без подключения образца диэлектрика. При этом фиксируется добротность контура Q₁иемкость переменного конденсатора С₁. Вторичная настройка контура производится с подключенным образцом диэлектрика. При этом фиксируется

добротность контура Q₂ и емкость контура С₂ = C₁ - C_х . Отсюда
ёмкость образца испытуемого диэлектрика будет С_х = С₁ - C₂ .

Значение тангенса угла диэлектрических потерь рассчитывается
по формуле


Значение диэлектрической проницаемости рассчитывается по формуле


где С_x– емкость конденсатора с испытуемым диэлектриком, пФ;

h–толщина диэлектрика, см.

d–диаметр электродов конденсатора, см.

Измерения и расчеты повторяются для различных частей с ис­пользованием набора эталонных катушек индуктивности согласно ин­струкции по работе с измерителем добротности.

Результаты измерений и расчета оформляются в виде табл.3.1.

Таблица 3.1

Частота, f кГц	С1 пФ	Q1	Диэлектрик: фторопласт. h =0,002 см, d=10 см
			С2 пФ	Q2	СX пФ	tgδε	ε
50	364	85	225	182
150	297	195	230	187
500	327	210	263	195
1500	315	192	250	180
8000	254	225	111	195
15000	206	380	135	300

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержась цель работы, схему измерительного кон­тура, таблицу результатов измерений и расчета, графики частотных зависимостей tgδ_ε= ц(f), ε = φ (f)и их анализ.


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие вещества называются диэлектриками?

2. Что такое диэлектрические материалы?

3. Что такое поляризация диэлектриков?

4. Перечислите основные виды поляризации диэлектриков.

5. В чем заключается электронная поляризация? Ионная поляри­зация?

6. В чем заключается дипольная поляризация?

7. Основные особенности дипольной поляризации.

8. Какие свойства диэлектриков называются диэлектрическими?

9. Что называется абсолютной диэлектрической проницаемостью?

10. Что такое относительная диэлектрическая проницаемость? Дайте толкование ее физического смысла.

11. Как на практике определяют диэлектрическую проницаемость?

12. Что такое тангенс угла диэлектрических потерь?

13. Какие диэлектрики называются неполярными, полярными, ион­ными? Каковы для них зависимости ε и tgδ_ε от частоты?