Экспериментальные исследования диэлектрических свойств материалов

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.