Экспериментальные исследования 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 Е0 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 ? - 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 U1 - напряжение на RC цепи, U2 - напряжение на сопротивлении R, f - частота переменного сигнала. В плоском конденсаторе напряженность связана с напряжением U1 как:
Опыт №1. Измерение диэлектрической проницаемости и характеристик поляризации материалов.
U1= 5В, R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.
Материал U2, мВ
Воздух 40
Стеклотекстолит 97
Фторопласт 61
Гетинакс 89
Оргстекло 76
СВ =176 пкФ; ССТ =429 пкФ;
СФП=270 пкФ; СГН=393 пкФ; СОС=336 пкФ;
; ;
; ;
Для гетинакса подсчитаем:
;
; ;
; ;
; ;
;
Расчет погрешностей:
; ; ;
;
;
(так как ).
;
Опыт № 2. Исследование зависимости ? = f(E).
R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.
U1, В U2, В(воздух) U2, В(гетинакс) С0, пкФ С, пкФ Е, В/м ?
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 ? = f(E) - приблизительно прямая, так как диэлектрическая проницаемость не зависит от внешнего поля.
Опыт № 3. Исследование зависимости диэлектрической проницаемости среды от частоты внешнего поля.
U1= 5В, R=120Ом.
f, кГц U2, В(воздух) U2, В(гетинакс) ХС, кОм(гетинакс) С0, пкФ С, пкФ ?
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 ? = F(f) видно, что диэлектрическая проницаемость среды не зависит от частоты внешнего поля. График зависимости ХС=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.
U1= 5В, R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м, r=0,06м, n=18.
?,0 U2,В С, пкФ Стеор, 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.
U1= 5В, R=120Ом, f=60 кГц.
Схема конденсатора с частичным заполнением диэлектриком.
U2 (стеклотекстолит тонкий)=0,051В,
U2 (стеклотекстолит толстый)=0,093В,
U2 (воздух)=0,039В.
С0 =172пкФ - без диэлектрика;
С1 = 411пкФ - стеклотекстолит толстый;
С1 = 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.
НГТУ
3