Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсам

• Название: Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсам
• Дата: 01.12.2021
• Размер: 0.74 Mb.
• Имя файла: laboratornye_raboty.docx
• Тип: Методические указания; #288326
• страница: 2 из 6

Лабораторная работа №1

«Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь»

Цель работы: Исследование основных свойств диэлектрических материалов. Получение навыков работы с измерителем RLC.

Краткая теория

Диэлектрики – материалы с удельным сопротивлением при температуре и нормальном атмосферном давлении.

Важным свойством диэлектрика является его способность к поляризации.

Поляризация – процесс ограниченного смещения или ориентации связанных электрических зарядов (или ориентация дипольных молекул) в теле под действием электрического поля, который происходит в объеме и сопровождается появлением зарядов на поверхности материала у электронов

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, вклю­ченный в электрическую цепь, может рассматриваться как конден­сатор определенной емкости (рисунок 1.1).



Рисунок 1.1 – Условное представление диэлектрика

Заряд всякого конденсатора, как известно, равен

Q=CU,

где C- емкость конденсатора, U-приложенное к нему напряжение.

Количество электричества Q при заданном значении приложен­ного напряжения слагается из двух составляющих которое присутствовало бы на электродах, если бы их разделял вакуум, и , которое обусловлено поляризацией диэлектрика, фактически разделяющего электроды:



Одной из важнейших характеристик диэлектрика, имеющей особое значение для техники, является его относительная диэлек­трическая проницаемость ε. Эта величина представляет собой отношение заряда Q, получен­ного при некотором напряжении на конденсаторе, содержащем данный диэлектрик, к заряду Q₀, который можно было бы получить в конденсаторе тех же размеров и при том же напряжении, если бы между электродами находился вакуум:



Из выражения следует, что относительная диэлектриче­ская проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только в случае вакуума.

Значение относительной диэлектрической проницаемости вся­кого вещества не зависит от выбора системы единиц. В дальнейшем для характеристики качества диэлектриков используется именно это значение диэлектрической проницаемости, причем слово «отно­сительная» для краткости, опускается.

Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при перемен­ном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью.

Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к еди­нице объема, или удельными потерями. Наиболее часто для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле характеризует угол диэлектрических потерь или тангенсом угла диэлектрических потерь.

Большие значения тангенса угла диэлектрических потерь tg δ определяет недопустимо большие потери в диэлектрике. Большие диэлектрические потери приводят к сильному нагреву диэлектрика.

На практике для анализа состояния диэлектрика применяют различные схемы замещения диэлектрика. Наиболее часто применяют последовательную (рисунок 1.2, а) и параллельную (рисунок 1.2, б) схемы замещения диэлектрика. Такие схемы не дают полностью объяснит механизм диэлектрических потерь в реальных диэлектриках.



Рисунок 1.2 – Последовательная (а) и параллельная (б) схемы замещения диэлектрика (R – эквивалентное сопротивление диэлектрика, C – ёмкость диэлектрика)

В лабораторной работе определяются прибором параметры последовательной схем ы замещения диэлектрика. В последовательной схеме замещения потери активной мощности P_а и тангенса угла диэлектрических потерь tg δ определяются выражениями





где ω – угловая частота приложенного напряжения.

Описание установки

Для определения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь различных изоляционных материалов измеряются параметры последовательной схемы замещения конденсатора (C и R) с диэлектриком из испытываемого материала. Схема электрическая соединений для измерения параметров конденсатора приведена на рисунке 1.3. Плоский конденсатор (блок 2355), между пластинами которого помещен испытываемый диэлектрик, подключается к измерителю параметров RLC Е7-22 (блок 533). Блоки питания 218 и 224.1 обеспечивают напряжение питания +12В для Е7-22.

Проведение измерений

При измерении ёмкости конденсатора кнопкой «L/C/R») выберите вид измеряемого параметра - ёмкость С. Схема замещения конденсатора выбирается кнопкой «ПАР/ПОСЛ», при этом на экране прибора загорается символ «SER». В лабораторной работе определяются параметры последовательной схемы замещения конденсатора (символ «SER» на экране. Измерения проводятся на частоте 120 Гц. Частота на которой проводятся измерения выбирается кнопкой «ЧАСТ», при этом на экране должна высветится сообщения «120 Гц».



Рисунок 1.3 - Схема электрическая соединений для измерения параметров
конденсатора с испытываемым диэлектриком

Вложите испытываемый образец диэлектрика между пластинами конденсатора и подключите конденсатор к измерителю RLC, как показано на рисунке 1.1. Верхнюю пластину блока конденсатора 2355 необходимо установить примерно по центру нижней пластины с равномерным отступом от краев по всему периметру пластины. На расстоянии менее 10…15 см от блока конденсаторов 2355 не должно быть посторонних и электропроводных предметов.

Недопустима подача напряжения от внешних источников на вход прибора и пластины блока конденсатора!

Измерьте емкость C и конденсатора 2355 с диэлектриком. Результаты измерений занесите в таблицу 1.1. Опыты повторите для других типов диэлектриков.

Таблица 1.1 – Результаты исследований свойств диэлектриков

Образец	С, пФ	tgδ	ε	R, Ом

Обработка результатов измерений

Емкость конденсатора с испытываемым диэлектриком определяется соотношением

,

где - электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума);

ε- относительная диэлектрическая проницаемость испытываемого диэлектрика;

S- площадь пластин конденсатора в кв. метрах. В эксперименте учитывается площадь верхней пластины конденсатора. Влиянием краевого эффекта пренебрегаем;

d- расстояние между пластинами конденсатора в метрах, равное толщине испытываемого диэлектрика.

Для вычисления относительной диэлектрической проницаемости испытываемого диэлектрика измеренная емкость C сравнивается с расчетной емкостью конденсатора C₀ с теми же геометрическими размерами, но без диэлектрика (среда между пластинами – вакуум с диэлектрической проницаемостью ε₀). Величина . Отношение емкостей

,

т. е. равно относительной диэлектрической проницаемости испытываемого диэлектрика.

Тангенс угла диэлектрических потерь определяется для последовательной схемы замещения конденсатора, состоящей из идеального конденсатора с емкостью C и, включенного последовательно с ним, сопротивления R. При измерении на частоте ω

,

т. е. тангенс диэлектрических потерь равен отношению активного ( ) и емкостного ( )сопротивлений цепи. Отсюда можно определить сопротивление R последовательной схемы замещения конденсатора:

.

Содержание отчёта

Отчёт о проделанной работе должен содержать:

1. 
   Принципиальную электрическую схему испытательной установки.
   
2. 
   Краткое описание материала исследования которого проводились.
   
3. 
   Расчётные формулы и примеры вычислений.
   

Контрольные вопросы

1. 
   Какие вещества относят к диэлектрикам? Дайте характеристику исследуемых диэлектрических материалов.
   
2. 
   Условное предоставление диэлектриков. Относительная диэлектрическая проницаемость.
   
3. 
   В каких случаях интересуются диэлектрическими потерями в материалах?
   
4. 
   С помощью каких параметров оценивают величину диэлектрических потерь?
   
5. 
   Каким образом проводят исследования потерь в диэлектриках?