Работа №1 Исследование диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твёрдых диэлектриков (Работа №1 «Исследование диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твёрдых диэлектриков»)

Работа 1. Исследование диэлектрической проницаемости и тангенса угладиэлектрических потерь твердых диэлектриковЦельработы–исследованиезависимостидиэлектрическойпроницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от частотыэлектромагнитного поля для твердых диэлектриков различных типов.1. Теоретическая частьДиэлектрическаяпроницаемостьтвердыхдиэлектриков.Припомещении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация.Явление электрической поляризации вещества заключается в ограниченномсмещении связанных зарядов или ориентации дипольных молекул вдольсиловыхлинийполя.Врезультатеполяризациивнаправленииэлектрического поля возрастает электрический момент.

Степень поляризациивещества характеризуется вектором поляризацииP  lim  0pii æ эл E ,который имеет смысл удельного электрического момента вещества. Векторполяризации пропорционален напряженности приложенного поляE.Электрическая восприимчивость æэл вещества определяет степень этойпропорциональности.В результате поляризации возрастает напряженность электрическогополя в веществе. Для характеристики результирующего поля вводятэлектрическую индукциюD   0 E  P   0 E  æ эл E   E ,которая складывается из индукции приложенного поля и поляризациивещества.Коэффициентприложенногополяпропорциональностиииндукциеймеждуназываютнапряженностьюдиэлектрическойпроницаемостью.В диэлектриках могут действовать различные виды поляризации:быстрые (электронная и ионная) и медленные, или релаксационные(электронно-, ионно-, дипольно-релаксационные, спонтанная и резонансная).Быстрые поляризации происходят практически без затрат энергии, длямедленных требуются затраты энергии.В нейтральных и слабополярных диэлектриках происходят в основномбыстрыеполяризации,значениеотносительнойдиэлектрическойпроницаемости в этих диэлектриках невелико:  r   /  0  2,5 .

Чрезвычайнобольшое значение  r (до нескольких тысяч) имеют сегнетоэлектрики, вкоторых наблюдается спонтанная поляризация.Тангенс угла диэлектрических потерь. Основной составляющей тока вдиэлектриках в переменных электрических полях является ток смещенияJ см DE  PE 0tt ttПлотность тока смещения представляет собой изменение электрическойиндукции во времени.

Из формулы видно, что в результате поляризацииплотность тока смещения враз больше в веществе, чем в вакууме;плотность тока смещения в основном носит реактивный характер. Однако наполяризацию диэлектрика затрачивается энергия. Поэтому появляетсяактивная составляющая тока, связанная с поляризацией диэлектрика. Крометого, в диэлектриках присутствует небольшое число свободных носителейзаряда и в поле Е через диэлектрики, согласно закону Ома, протекает токсквозной электропроводимости, или ток утечки, который также носитактивный характер.

На поддержание активных составлявших тока, согласнозакону Джоуля – Ленца, затрачивается энергия.Диэлектрическимирассеиваемуювпотерямидиэлектрикевввеществерезультатеназываютмощность,протеканияактивныхсоставляющих тока поляризации и тока утечки; tg является мерой оценкидиэлектрических потерь (в качестве характеристики диэлектрических потерьможет попользоваться мнимая компонента  " комплексной диэлектрическойпроницаемости    '  j " , tg   "/  ' ).Из теории диэлектриков известно, что параметры   tg можноисследовать, помещая диэлектрик между обкладками конденсатора. Приэтом справедлива эквивалентная схема замещения. Конденсатор с реальнымдиэлектриком в этом случае заменяют идеальным, а потери учитываютдополнительным включением резисторов.Полная эквивалентная схема замещения конденсатора с техническимдиэлектриком (техническим диэлектриком называют диэлектрик с конечнымзначением), в котором имеются все виды поляризации, показана нарис.

1.Рис. 1Здесь C0 – емкость конденсатора без диэлектрика; Cэ, Cu – емкости,связанные с электронной и ионной поляризациями; Cэр, rэр, Cир, ruр, Cдр, rдр –ёмкости и сопротивления, связанные с электронно-, ионно-, дипольнорелаксационнымиполяризациями;Cсп,rсп,Cрез,rрез–емкостиисопротивления, связанные со спонтанной резонансной поляризациями; rск –сопротивление сквозной проводимости.Векторная диаграмма токов и напряжений, действующих в схеме(см. рис. 1), приведена на рис. 2.Видно, чтоtg I а I ад  I ск,I р I эи  I рдгде I эи – ёмкостный ток, вызванныйэлектронной и ионной поляризациями;I ад ,I рд–активнаясоставлявшиетокаиреактивнаядобавочнойрелаксационной поляризации; I ск – токРис.

2сквозной проводимости.Угол диэлектрических потерь δ (см. рис. 2) – это угол, дополняющий до 90оугол сдвига между напряжением и полным током, действующими в схеме;tg определяется отношением активной составляющей тока в техническомдиэлектрике к реактивной. Поскольку выражение для tgполучаетсясложным и составляющие тока для технического диэлектрика, как правило,неизвестны (неизвестно, какие конкретно механизмы поляризации действуютв данном диэлектрике), то эти составляющие определяют экспериментально.При этом мощность (в ваттах) рассеяния в диэлектрике рассчитывают поформулеP  u 2 C tg ,где u – приложенное напряжение. В; ω – круговая частота, 1/с; С – емкостьконденсатора с диэлектриком, Ф.Длятехническогодиэлектрикаtg <0,01;увысокочастотныхдиэлектриков tg ≈10-4.

На частотной зависимости ε и tg для обобщенноготехнического диэлектрика (рис. 3) представлен диапазон действия различныхвидов поляризации.На частотной зависимости ε и tg для обобщенного техническогодиэлектрика (рис. 3) представлен диапазон действия различных видовполяризации.Рис. 3С ростом частоты остаются более быстрые виды поляризации, а медленныеисчезают, поэтому ε уменьшается; tg имеет тенденцию к уменьшению потой причине, что с ростом частоты увеличивается доля реактивнойсоставляющей тока смещения.

Там, где период колебания электромагнитногополя совпадает со временем релаксации данного вида поляризации, значенияtg имеют "всплеск". Для диэлектриков неоднородной структуры частотнаяхарактеристика носит более сложный характер вследствие неодинаковойполяризации различных компонентов диэлектрика.2. Экспериментальное определение тангенса утла диэлектрических потерь идиэлектрической проницаемости твердых диэлектриковНа низких и высоких частотах определение параметров диэлектриковпроводят посредством измерения С и tg .

Эти измерения могут бытьосуществлены с помощью таких приборов, как Q-метр, измеритель L , С , R ит.п. при использовании последнего tgизмеряют непосредственно, адиэлектрическую проницаемость рассчитывают по измеренной емкости С:0,144 C hd2где С – емкость, пФ; h – толщина образца диэлектрика, м; d – диаметрэлектродов, нанесенных на образец, м.3.

Схема измеренийСтруктурная схема лабораторного макета приведена на рисунке 4.Рис. 4Е8-4 – цифровой измеритель емкости, 1 – электроды измерительногоприбора,2–исследуемыйобразец.Определениедиэлектрическойпроницаемости и тангенса угла потерь диэлектрика осуществляется спомощью цифрового измерителя емкости Е8-4. К его измерительной линииподключаются электроды 1, между которым устанавливается исследуемыйобразец 2.

По измеренному значению емкости определяется значениедиэлектрической проницаемости образца.4. Порядок выделения работы1. Ознакомиться с цифровым измерителем емкости Е8-4 и инструкциейпо его эксплуатации.2. Ознакомиться с образцами, предложенными для исследования,замерить их толщину h и диаметр электродов d (в метрах), нанесенных накаждый образец.3. Включить измерительный прибор Е8-4 в сеть с помощьюпереключателя “Сеть вкл.”.4.

Измерить значения емкости и тангенса угла потерь для исследуемыхобразцов. Образец диэлектрика помещается между электродами цифровогоизмерителя, значения емкости и тангенса угла потерь считываются сцифрового индикатора.5. Результаты измерений, выполненных по пп. 2, 4, занести в таблицу.Рассчитать ε образцов.Исходные данныеМатериалТолщина, h, мИзмеренные величиныtg Выч.С, пФизмсправСправ.4. Содержание отчета1. Изобразить упрощенную схему измерительного прибора и схемуизмерений.2.

Привести результаты измерений и расчетные данные в форметаблицы (см. выше).3. Сравнить найденные экспериментальные значения ε и tgδ ссоответствующими значениями, приводимыми в справочниках.4. Ответить на контрольные вопросы.Примечание.Иногдавсправочникенеоговариваетсячастотаизмерения, температура и влажность. Это означает, что измеренияпроводились на частоте f = 1 МГц, при температуре t  20  50 иотносительной влажности 60..70%.5. Вопросы для проверки1. Дайте определения параметров P , æэл , D , J см ,  , tg .2. Что такое диэлектрические потери?3.

Какие виды поляризации присущи техническому диэлектрику?4.Объяснитеэквивалентнуюсхемузамещенияобобщенногодиэлектрика и векторную диаграмму токов и напряжений, действующих всхеме.5. Какова частотная зависимость ε иtgдля обобщенногодиэлектрика?6. Объясните принцип измерения ε и tg , используемый в измерителеL , С, R.7. Какие значения ε имеют современные диэлектрики?8.

Какие значения tg имеют современные диэлектрики?9. Каковы требования к техническим диэлектрикам по ε и tg ?.