EL_5 (Лабники)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИЗУЧЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ

1. Введение

Цель работы состоит в определении величины относительной диэлектрической проницаемости  и изучении зависимости,  от температуры; по характеру температурной зависимости делают заключение о типе диэлектрика.

Рис. 1

Диэлектрические свойства жидкостей обусловлены структурой молекул, из которых состоят эти жидкости. С этой точки зрения все молекулы можно разбить на две группы, отличающиеся своим поведением во внешнем электрическом поле. Первая группа характеризуется симметричным расположением электрических зарядов. В этих молекулах (Н₂, Na) центры тяжести зарядов разных знаков совмещены и дипольный момент р молекул в отсутствие внешнего поля равен нулю. Поэтому такие молекулы называют неполярными. Ко второй группе относятся молекулы, которые обладают несимметричным распределением заряда (например, Н₂О, рис. 1) и, как следствие этого, отличным от нуля собственным дипольным моментом , где q – положительный заряд молекулы (или равный ему по модулю отрицательный заряд), ℓ – расстояние между центрами тяжести этих зарядов. Такие молекулы называются неполярными.

Процесс поляризации неполярной молекулы сводится к смещению центров тяжести зарядов друг относительно друга: положительных – по направлению поля, отрицательных – против. В результате молекула приобретает дипольный момент . Тепловое движение почти не влияет на процесс поляризации неполярных молекул.

Действие внешнего поля на полярную молекулу заключается в ориентации вдоль поля уже имеющихся в диэлектрике диполей. Эта ориентация будет тем полнее, чем сильнее электрическое поле и чем слабее тепловое движение, т. е. ниже температура. Следовательно, для диэлектриков с полярными молекулами  уменьшается с ростом температуры.

Диэлектрическую проницаемость  легко найти из отношения  = С₂/С₁ где С₂ – емкость конденсатора, между обкладками которого находится диэлектрик; С₁ – емкость того же конденсатора без диэлектрика.

2. Описание установки и метода измерений

Работа состоит из двух частей. В первой части определяют величину диэлектрической проницаемости жидкости , во второй изучают зависимость  от температуры. Для определения  используют цепь (рис. 2),

Рис. 2

состоящую из звукового генератора Г, напряжение которого изменяется по закону , сопротивления R, конденсатора С, лампового вольтметра ЛВ и осциллографа. Если конденсатор включен в цепь переменного тока, то его заряд в течение малого промежутка времени dt увеличится на dq, где dq = Idt. Ток I в цепи в общем случае зависит как от сопротивления R, так и от конденсатора С. Величина R подбирается настолько большой, что напряжение на сопротивлении много больше, чем напряжение на конденсаторе, т. е. выполняется условие R>>1/ωС, при котором влияние емкости на силу тока будет мало. В этом приближении с достаточно высокой точностью можно считать ток в цепи равным . Отсюда закон изменения заряда на конденсаторе будет иметь вид

.

Константу интегрирования следует положить равной нулю, так как она обозначает произвольное постоянное значение заряда на конденсаторе, не связанное с колебаниями. Разность потенциалов на пластинах конденсатора определяется из соотношения U = q/C, откуда

.

Выражение U₀/RCω = U_B является амплитудным значением разности потенциалов и может быть измерено ламповым вольтметром. Сохраняя постоянными напряжение генератора U₀, частоту генератора ω, сопротивление R, измеряют на конденсаторе без диэлектрика и на конденсаторе, погруженном в диэлектрик. Тогда

,

и отношение

Так как C₂/C₁ = , то расчетной формулой для определения относительной диэлектрической проницаемости является выражение

(1)

Поскольку в расчетную формулу входит отношение напряжений, то оказывается несущественным, как именно проградуирован ламповый вольтметр (по эффективным значениям или по амплитудным). Измерения производят при двух разных напряжениях на выходе генератора U₀ и при разных частотах  (=2).

Конденсатор укреплен на крышке бачка, внутри которого находится исследуемая жидкость (трансформаторное маcло). С помощью винта можно поднимать или опускать крышку вместе с конденсатором по вертикальным направляющим стойкам, между которыми установлен бачок. Качественную картину изменения напряжения на конденсаторе при погружении его в жидкость (или при изменении частоты ) можно наблюдать на экране осциллографа (ЭО), (рис. 2). Для изучения зависимости  от t проводят нагревание диэлектрика в интервале температур 20 – 40°С. Для этой цели в установке предусмотрена обычная электроплитка, которая жестко скреплена с бачком.

3. Порядок выполнения работы

Часть 1

1. Собирают схему в соответствии с рис. 2. Для удобства соединения проводов на установке имеется панель с двумя рядами клемм. На этой панели вмонтировано сопротивление R = 30 кОм. Концы кабелей от приборов с обозначением «земля ()» должны быть вставлены в клеммы одного ряда (где отсутствует R).

2. Поднимают конденсатор так, чтобы он полностью находился в воздухе.

3. Включают генератор тумблером «сеть».

4. Устанавливают на вольтметре генератора с помощью ручки «регулировка выхода» значение U₀ в пределах 5 – 10В и по шкале частот значение ₁ = 50 кГц. (Положения всех ручек генератора и осциллографа подробно указаны в таблице к установке.)

5. Измеряют по ламповому вольтметру значение , установив предел измерения ЛВ на 3 В. При всех измерениях обязательно отсоединяют осциллограф.

6. Повторяют измерение при других значениях частот, например: ₂=75 кГц; ₃=100 кГц; ₄=125 кГц и т.д. до 200 кГц. При этом непрерывно следят за постоянством U₀. Если отклонения ЛВ при этом будут менее, чем на половину шкалы, то следует перевести предел измерения его на 1 В или на 300 мВ.

7. Погружают конденсатор в диэлектрик (масло) и проводят измерения при тех же частотах ₁, ₂, ₃, ₄ . . . аналогично пп. 4, 5, 6.

8. По указанию преподавателя повторяют измерения при

9. другом U₀.

10. Подключив к цепи осциллограф (рис. 2), наблюдают качественную картину изменения напряжения на экране осциллографа при изменении частоты  генератора и при погружении конденсатора в диэлектрик (при неизменной частоте). Устойчивости изображения добиваются с помощью ручек осциллографа «стабильность» и «уровень».

Часть 2

1. Устанавливают на генераторе значение U₀ и одно из значений частоты  п. 7.

2. Включают плитку в сеть (предел 150 Вт). Нагревание производят при включенной плитке не более чем на 35°С. Через каждые 2 – 3°С записывают показания ЛВ , все время следя за постоянством U₀. При выключенной плитке продолжают измерения до 45°С. Затем конденсатор поднимают на воздух. Нагрев свыше 50°С категорически запрещен.

4. Обработка результатов измерений

Определение 

Таблица 1

1. Рассчитывают  для разных частот.

2. Рассчитывают погрешность / по обычным правилам (для  =50 кГц). Класс точности ЛВ на пределах 1 – 3 В равен 4,0, на пределе 300 мB – 2,5. Находят  и сравнивают ее с разбросом  для разных частот.

Зависимость  от температуры

U₀ =. . .; = . . . .

Таблица 2

1. Строят график зависимости (t) по данным табл. 2.

2. По характеру графика (t) определяют тип исследуемого диэлектрика.

3. Дополнительное задание. Проверить экспериментально справедливость тех предположений, которые позволили для расчета тока воспользоваться формулой . Для этого нужно продумать, на каких участках цепи произвести измерения U. Сравнить измеренные значения и сделать выводы.

5. Контрольные вопросы

1. Какие существуют типы диэлектриков? Каков механизм их поляризации?

2. Как получена расчетная формула? При каких допущениях?

3. Что обозначают величины , , U₀ ? Какими приборами они измеряются?

4. Каково назначение осциллографа в данной работе?

ЛИТЕРАТУРА

1. Детлаф А. А., Яворский Б. М., Милковская Л. Б. Курс физики. Т. 2. – М.: Высш. школа, 1977, § 5.2, 6.1, 6.2, 6.3.