Лабораторная работа 4 Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков
 Скачать 58.17 Kb.
|
|
Лабораторная работа № 4 Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков Цель работы Изучить влияние состава и эксплуатационных факторов на диэлектрическую проницаемость и диэлектрические потери диэлектриков, широко используемых в авиационном оборудовании и радиотехнической аппаратуре. Задачи работы Освоить методику определения основных характеристик диэлектриков: диэлектрической проницаемости ε, оценивающей способность диэлектрика к поляризации, и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, показывающего величину потерь в диэлектрике, которые находятся в переменных электрических полях. Исследовать влияние эксплуатационных факторов (влажности, температуры и частоты электрического поля) на основные материалы из числа полярных и нейтральных диэлектриков. Сущность исследуемых материалов Поляризация и относительная диэлектрическая проницаемость Важнейшим свойством диэлектриков является их способность под воздействием электрического поля поляризоваться. Поляризация представляет собой процесс ограниченного смещения связанных электрических зарядов и определенной ориентации дипольных молекул диэлектрика, находящегося в электрическом поле. В результате поляризации в диэлектрике образуется электрический заряд Q, величина которого зависит от строения диэлектрика и пропорциональна напряженности внешнего электрического поля Е. По прекращении действия электрического поля поляризация в диэлектрике постепенно исчезает. В зависимости от природы и молекулярного строения диэлектрика возможны различные виды поляризации, среди которых важнейшими являются электронная, ионная и дипольная. Электронная поляризация (рис. 4.1а) представляет собой упругую деформацию электронных оболочек атомов относительно положительно заряженного ядра. Э  тот вид поляризации устанавливается практически мгновенно (за время порядка 10-15с), степень поляризации не зависит от температуры диэлектрика и протекает без рассеяния энергии. Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков.Ионная поляризация (рис. 4.1б) рассматривается как упругое смещение ионов, составляющих молекулу относительно друг друга. В чистом виде эта поляризация наблюдается у веществ с ионным строением (кварц, слюда, фарфор и др.). Ионная поляризация устанавливается за очень короткое время 10-13с, практически не зависит от температуры и осуществляется без рассеяния энергии. Дипольная поляризация представляет собой преимущественную ориентацию (поворот) полярных молекул (диполей) материала под действием внешнего электрического поля. Повороту отдельно взятой молекулы препятствуют соседние молекулы. Поэтому дипольная поляризация связана с преодолением сил трения между молекулами, что является следствием нагрева диэлектрика, т.е. потерям на поляризацию. Степень дипольной поляризации зависит от температуры, и этот вид поляризации протекает за значительно более продолжительное время, чем электронная или ионная. Диэлектрики, у которых наблюдается только электронная поляризация, называются нейтральными (неполярными) диэлектриками. Диэлектрики, у которых наряду с электронной существует и ионная поляризация, составляют группу ионных диэлектриков. Диэлектрики, в которых одновременно происходит и электронная и дипольная поляризация, получили название полярных (дипольных диэлектриков). Любой диэлектрик с подключенными к нему электродами, находящийся в электрическом поле, можно рассматривать как конденсатор. Заряд этого конденсатора Q(рис. 4.2.) состоит как бы из двух составляющих: из заряда Q0, который бы имел конденсатор, если бы его электроды разделял вакуум, дополнительного заряда QД обусловленного поляризацией диэлектрика, фактически находящегося между электродами. То есть Q=Q0  +QД (4.1)В  еличина QД зависит от степени поляризации диэлектрика, которую можно определить, поделив Q на Q0.Характеристика, определяющая степень поляризации диэлектрика, называется диэлектрической проницаемостью материала ε, т.е. она показывает во сколько раз данный диэлектрик сильнее поляризуется, чем вакуум.  . (4.2)Принимая во внимание выражение (1) можно записать  . (4.3)Откуда следует, что ε любого вещества больше единицы. Величина диэлектрической проницаемости определяется, прежде всего, строением диэлектриков. Нейтральные диэлектрики имеют ε =3…4 единиц. У полярных диэлектриков ε =4…10 единиц, а у сильно полярных – несколько десятков единиц, например, у воды ε =81. У ионных диэлектриков значение диэлектрической проницаемости зависит от воздействия эксплуатационных факторов. Причем степень и характер этой зависимости для отдельных групп диэлектриков весьма различны. Зависимость диэлектрической проницаемости диэлектриков от температуры. У нейтральных диэлектриков ε от температуры зависит слабо. С повышением температуры она слегка уменьшается вследствие того, что при тепловом расширении материала уменьшается его плотность и, следовательно, снижается количество поляризующихся частиц в единице объема вещества. У полярных диэлектриков с увеличением температуры одновременно протекают два процесса: ослабевают силы трения между молекулами, препятствующие ориентации диполей, что способствует росту ε; возрастает энергия теплового хаотического движения молекул, которая препятствует упорядоченной ориентации диполей под действием электрического поля, что приводит к снижению ε. При сравнительно невысоких температурах первый процесс преобладает над вторым и ε увеличивается. По мере увеличения температуры возрастание энергии теплового хаотического движения молекул начинает преобладать перед процессом упорядоченной ориентации диполей и ε падает. Типовая зависимость ε =f(T) для полярных диэлектриков приведена на рис. 4.3. В  лияние влажности окружающей среды на диэлектрическую проницаемость зависит от способности диэлектриков поглощать влагу (их гигроскопичности). Поглощенные диэлектриком молекулы воды принимают участие в поляризации и в результате этого диэлектрическая проницаемость увеличивается. При этом у гигроскопичных элементов это влияние проявляется более резко, чем у не гигроскопичных.Влияние частоты электрического поля на диэлектрическую проницаемость также зависит от типа диэлектрика. У нейтральных и ионных диэлектриков при увеличении частоты ε остается неизменной. Это объясняется тем, что электронная и ионная поляризация, которой они обладают, протекает практически мгновенно, в диапазоне используемых на практике частот поляризация успевает установиться. У полярных диэлектриков зависимость ε от частоты имеет сложный характер. При не высоких частотах до f ' (рис.4.4) дипольная поляризация успевает установиться, т.е. за время полупериода колебания дипольные молекулы диэлектрика успевают повернуться в соответствии с направлением электрического поля, и в этом случае рост частоты не влечет за собой изменение значения диэлектрической проницаемости. П  ри частотах электрического поля, превышающих f ' - f’’, время полупериода колебаний поля становится меньше времени, необходимого на установление поляризации, и поэтому диполи лишь успевают повернуться на меньший угол. Это приводит к уменьшению ε. Наконец, при высоких частотах (больших с f”, рис 4.4) время полупериода становится настолько малым, что диполи вовсе не успевают ориентироваться вслед за изменением поля. В этом случае в диэлектрике будет иметь место только электронная поляризация, при которой, как уже отмечалось, ε не зависит от частоты, т.е. остается постоянной.Диэлектрические потери Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Причиной диэлектрических потерь является наличие в диэлектрике в основном токов поляризации и сквозной проводимости. Величина диэлектрических потерь характеризуется углом диэлектрических потерь δ или тангенсом этого угла (рис. 4.5). Углом диэлектрических потерь называется угол δ, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением цепи, имеющей емкостной характер нагрузки. В случае идеального диэлектрика (диэлектрика без потерь) вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на 90°. При этом угол δ равен нулю. При наличии потерь в диэлектрике возникает активная составляющая тока, являющаяся суммой тока поляризации и тока сквозной проводимости   Чем больше будут потери в диэлектрике, тем больше будет Iа и тем больше будет угол δ и функция этого угла tgδ=Iа/Iр. Тангенс угла диэлектрических потерь входит в формулу для определения величины, рассеиваемой в диэлектрической мощности. Р=U2·C·ω·tgδ, (4.4) где U - напряжение, приложенное к диэлектрику; С - емкость диэлектрика; ω- круговая частота: ω=2πf; f- частота электрического поля, Гц. Значение tgδ зависит от строения диэлектрика. У нейтральных диэлектриков диэлектрические потери определяются только наличием сквозной электропроводности и поэтому они у них, как правило, малы. Нейтральные диэлектрики чаще всего с успехом могут работать в высокочастотных электрических полях и поэтому называются высокочастотными. У полярных диэлектриков энергия затрачивается не только на сквозную электропроводность, величина которой больше, чем у нейтральных диэлектриков, но и на поляризацию. Поэтому диэлектрические потери в целом у полярных диэлектриков больше, чем у нейтральных. Полярные диэлектрики на высоких частотах применяются редко, только в тех случаях, когда диэлектрические потери не влияют на работу аппаратуры. Поэтому полярные диэлектрики в основном составляют группу низкочастотных диэлектриков. Величина tgδ у низкочастотных (полярных) диэлектриков составляет 10-1…10-2, а у высокочастотных (нейтральных) 10-3…10-4. Для некоторых газов tgδ может быть 10-6…10-8. Ионные диэлектрики в зависимости от их строения и качества могут быть как высоко-, так и низкочастотные. Диэлектрические потери также зависят и от влияния эксплуатационных факторов. Влияние температуры по-разному сказывается на потерях нейтрально ионных и полярных диэлектриков. У нейтральных и ионных диэлектриков tgδ с ростом температуры увеличивается. Это объясняется тем, что увеличение температуры приводит к росту тока сквозной проводимости. Так как под действием температуры проходит диссоциация молекул и, главным образом, различных примесей. Зависимость полярных диэлектриков от температуры показана на рис. 4.6.  Выше отмечалось, что полярные диэлектрики имеют две составляющие электропотерь: потери на поляризацию и потери на сквозную электропроводность. Так вот, при увеличении температуры сначала за счет уменьшения сил трения между молекулами и, как следствие, усиления дипольной поляризации потери растут, достигая своего максимального значения. Затем, при дальнейшем повышении температуры, вследствие влияния теплового хаотического движения молекул дипольная поляризация уменьшается, а следовательно, падают и диэлектрические потери. Так продолжается до температуры Т' (рис.4.6). Затем рост диэлектрических потерь объясняется усилением тока сквозной проводимости за счет температурной диссоциации молекул примесей и основного вещества. Влияние влаги приводит к увеличению tgδ, т.к. при этом растут потери на дипольную поляризацию молекул воды и потери на сквозную проводимость, которая увеличивается за счет диссоциации молекул примесей и основного вещества. При переменной частоте диэлектрические потери определяются согласно формуле (4.4). Поэтому tgδ зависит от величины диэлектрических потерь и частоты, т.е.  . (4.5)У нейтральных диэлектриков величина диэлектрических потерь, поскольку они определяются потерями на сквозную проводимость, с увеличением частоты растет незначительно, и tgδ с ростом частоты существенно меняться не будет. У  полярных диэлектриков диэлектрические потери с ростом частоты сначала резко возрастают в связи с затратой большей энергии на ориентацию диполей. Когда же дипольная поляризация исчезает, остаются диэлектрические потери на сквозную проводимость, которые от частоты зависят слабо (рис. 4.7)Таким образом, когда имеет место дипольная поляризация, tgδ при увеличении частоты растет, а когда на первый план среди потерь выходят потери от сквозной проводимости, tgδ снижается. Аппаратура и методика исследования В данной работе применяется один из наиболее распространенных способов измерения емкости, индуктивности, tgδ на повышенных частотах с использованием универсального измерительного моста переменного тока. При измерении емкости мост одновременно позволяет определять и tgδ. С  хема установки для измерения емкости плоского конденсатора с исследуемым образцом диэлектрика между его обкладками и tgδ материала приведены на рис. 4.8.Основными элементами установки являются: ИМ - измерительный мост переменного тока; ИО - образец исследуемого материала, включенный в измерительное плечо моста; mV – цифровой милливольтметр, включенный в измерительную диагональ моста; НЭ – нагревательный элемент, обеспечивающий снятие температурных зависимостей ε и tgδ. ГЗЧ – генератор звуковых частот, подключенный к измерительному мосту, с помощью которого исследуется частотная зависимость и tgδ твердых диэлектриков. Для определения ε и tgδ исследуемых материалов используются плоские образцы с притертыми к их поверхности электродам из алюминиевой фольги, обеспечивающие подключение образца к измерительной схеме. В схеме установки они представляют собой плоские конденсаторы. Измерение ε и tgδ исследуемых материалов осуществляется с помощью измерительного моста согласно имеющейся на рабочем месте инструкции. С лимбов измерительного моста снимаются показания емкости конденсатора с исследуемым диэлектриком между его обкладками и величина его tgδ. Относительная диэлектрическая проницаемость материала рассчитывается по формуле емкости плоского конденсатора.  откуда  где ε относительная диэлектрическая проницаемость; ε 0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость (ε 0=8,85·10 -12 , Ф/м); h - толщина измеряемого образца, м; S- площадь измерительного электрода, наклеенного на образце, м2. Удельные потери рассчитываются по формуле: P=U2·ω·C·tgδ= U2·2πf·C·tgδ, где U- приложенное напряжение; f- частота электрического поля. Влияние влажности исследуется путем сравнительной оценки значений ε и tgδ сухих и увлажненных образцов. Частотная зависимость определяется замером ε и tgδ на различных частотах, значения которых устанавливаются руководителем занятий. Температурная зависимость ε и tgδ исследуется на образцах, помещенных в нагревательный элемент. Отсчеты значений осуществляются при дискретных температурах, определяемых руководителем занятий. 5. Порядок выполнения лабораторной работы 5.1. Ознакомиться с перечнем исследуемых образцов материалов и испытательным оборудованием. 5.2. Пройти инструктаж по технике безопасности при работе на лабораторной установке. 5.3. Провести замер необходимых параметров образцов. 5.4. Провести испытания образцов материалов. Полученные значения свести в итоговую таблицу (табл. 4.1) и по этим данным построить графики частотной и температурной зависимости ε и tgδ и Р исследуемых образцов. Установить влияние влажности образца на эти характеристики. 5.5. По данным таблицы и полученных графиков сформулировать выводы о влиянии эксплуатационных факторов на ε и tgδ и Р исследуемых диэлектриков. Дать объяснение полученным результатам. Таблица 4.1 Сводная таблица экспериментальных данных
6. Контрольные вопросы 6.1. Назовите основные, эксплуатационные факторы, которые оказывают влияние на ε и tgδ диэлектриков. 6.2. Дайте определение поляризации диэлектриков. 6.3. Чему пропорциональна величина электрического заряда конденсатора с данным диэлектриком между его обкладками 6.4. Перечислите основные виды поляризации, которые наблюдаются в диэлектриках. 6.5. Изложите сущность электронной поляризации. Связана ли эта поляризация с рассеянием энергии внешнего электрического поля? 6.6. Укажите время, за которое протекает электронная поляризация. Зависит ли величина электронной поляризации диэлектриков от температуры? 6.7. Изложите сущность ионной поляризации. Происходит ли рассеяние энергии вешнего поля при этом виде поляризации? 6.8. За какое время протекает ионная поляризация? Зависит ли степень ионной поляризации от температуры? 6.9. Изложите сущность дипольной поляризации. Происходит ли рассеяние энергии внешнего поля на этот вид поляризации? 6.10. 3а какое время протекает дипольная поляризация? Зависит ли степень поляризации от температуры? 6.11. Какие виды поляризации характерны для нейтральных диэлектриков? 6.12. Какие виды поляризации характерны для полярных диэлектриков? 6.13. Дайте определение относительной диэлектрической проницаемости ε. 6.14. Укажите диапазон возможных значений ε для полярных и нейтральных диэлектриков. Чему равна ε для воды? 6.15. Покажите на графике зависимость ε от температуры для нейтральных диэлектриков. 6.16. Покажите на графике зависимость ε от температуры для полярных диэлектриков. 6.17. Какие факторы оказывают влияние на дипольные молекулы полярного диэлектрика при одновременном воздействии на него электрического поля и повышенной температуры? 6.18. Почему при увлажнении диэлектрика его диэлектрическая проницаемость увеличивается? 6.19. Покажите на графике характер зависимости ε от частоты электрического поля для нейтральных диэлектриков. 6.20. Покажите на графике характер зависимости ε от электрического поля для полярных диэлектриков. 6.21. Какие виды поляризации диэлектриков не зависят от частоты электрического поля и почему? 6.22. Что собой представляют диэлектрические потери в диэлектрике? 6.23. Что является причиной возникновения в диэлектрике диэлектрических потерь? 6.24. Изобразите векторную диаграмму диэлектрика с потерями. Чему равен tgδ? 6.25. Напишите формулу, по которой подсчитывается величина рассеиваемой в диэлектрике мощности. 6.26. Почему нейтральные диэлектрики называют высокочастотными? 6.27. Почему полярные диэлектрики считают низкочастотными? 6.28. Приведите диапазон значений tgδ для высокочастотных и низкочастотных диэлектриков. 6.29. Покажите на графике характер зависимости tgδ от температуры для нейтральных диэлектриков. 6.30. Покажите на графике характер зависимости tgδ от температуры для полярных диэлектриков. 6.31. Какое влияние оказывает влага на tgδ диэлектриков и почему? 6.32. Покажите на графике зависимости tgδ от частоты для полярных диэлектриков. 6.33. Какой метод положен в основу измерения ε и tgδ в настоящей лабораторной работе? 6.34. Приведите формулу определения диэлектрической проницаемости диэлектрика через выражение для емкости плоского конденсатора. 6.35. С помощью какой аппаратуры исследуют зависимость tgδ от частоты? |