Указания по проведению эксперимента. • Убедитесь, что переключатели «Сеть» блоков, используемых в эксперименте, выключены.

• Убедитесь, что переключатели «Сеть» блоков, используемых в эксперименте, выключены.

• Подключите блок питания 224.1 к блоку «Измеритель RLC» (533) и к розетке «220 В» однофазного источника питания G1 (блок 218) в соответствии со схемой 3.1.1.

• Включите устройство защитного отключения и автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1.

• Включите выключатель«Измерителя RLC» (533).

• Выберите:

- вид измеряемого параметра - емкость С (кнопка «R/L/C»);

- вспомогательный измеряемый параметр - тангенс дельта D (кнопка «Q/D/R»);

- схему замещения элемента - последовательную (кнопка «ПАР/ПОСЛ», «SER» на индикаторе);

- частоту измерения - 120 Гц (кнопка «ЧАСТ»).

• Вложите испытываемый образец диэлектрика между пластинами конденсатора и подключите конденсатор к измерителю RLC, как показано на рисунке 4.1. 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 не должно быть посторонних и электропроводных предметов. Недопустима подача напряжения от внешних источников на вход прибора и пластины блока конденсатора!

• Конденсатор перед измерением емкости необходимо разрядить, замкнув накоротко его выводы!

• Измерьте емкость С и tgδ(D) конденсатора с диэлектриком. Для фиксации измеряемых значений нужно нажать кнопку «УДЕРЖ» на табло появится знак «Н»;

• Вычислите емкость конденсатора без диэлектрика по формуле 4.5. Площадь S указана на верхней пластине конденсатора, а расстояние между пластинами dравно толщине диэлектрика, указанной на испытываемом образце.

• Вычислите относительную диэлектрическую проницаемость испытываемого диэлектрика по формуле 4.6 и сопротивление последовательной схемы замещения (формула 4.8)

• Занесите результаты измерений в табл. 4.1 и повторите измерения для других образцов диэлектриков.

• После окончания работы выключите питание блока G1 (218).

 

Таблица 4.1- Результаты эксперимента

Образец	d, м	С, нФ	tgδ	R, Ом	С0, нФ	ε
ПВХ	0,004
ДВП	0,0032
Орг.стекло	0,002
Стеклотекстолит	0,0012

 

Контрольные вопросы:

1. Что называется диэлектрическими потерями?

2. Какие виды потерь Вы знаете?

3. Что характеризует относительная диэлектрическая проницаемость?

4. Согласно проведенным испытаниям определите, какой из изоляционных материалов обладает наилучшими свойствами?

5. Что характеризует тангенс угла диэлектрических потерь? Каким показателем можно еще оценить качество изоляции?

4.2 Снятие поляризационной характеристики диэлектрика и её зависимости от температуры

Цель работы: Снять экспериментально кулон-вольтовую характеристику нелинейного конденсатора q(u) при различных температурах. При одном из значений температуры рассчитать и построить поляризационную характеристику диэлектрика Р(Е), и зависимость относительной диэлектрической проницаемости от напряжённости электрического поля (Е).

Общие сведения:

Обратимое поглощение энергии диэлектриком при создании электрического поля связано с определенным состоянием, которое характеризуется изменением формы орбит электронов в атомах или ионах (в зависимости от структуры диэлектрика). В электрическом поле электроны будут испытывать притяжение со стороны положительных зарядов одного из электродов и отталкивание со стороны отрицательных зарядов другого, в силу чего произойдет некоторое смещение их по направлению к положительному электроду. Это смещение электронов внутри атомов или ионов называется электронной поляризацией. Она превращает каждый атом или ион в диполь, так как центры положительного и отрицательного зарядов уже не будут совпадать и между ними появится некоторое расстояние l.

Большинство диэлектриков характеризуется линейной зависимостью электрического смещения от напряженности электрического поля, созданного в диэлектрике. Особую группу составляют диэлектрики, в которых с изменением напряженности поля смещение меняется нелинейно, обнаруживая насыщение при некотором значении напряженности поля. Такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками. Наименование «сегнетоэлектрик» связано с тем, что нелинейность поляризации впервые была обнаружена у сегнетовой соли.

Поляризованная частица будет обладать элементарным электрическим моментом, определяющим уравнением:

 

µ=q∙l (4.9)

где q- элементарный заряд

 

Сумма элементарных электрических моментов в единице объема данного поляризованного диэлектрика численно определяет собой так называемую интенсивность поляризации или поляризованность, которая в большей степени зависит от плотности тела.

В газах обладающих очень малой плотностью, электронная поляризация сравнительно слаба. Этим объясняется тот факт, что у всех газов диэлектрическая проницаемость очень мало отличается от единицы и в небольшой степени зависит от плотности. В жидких и твердых телах интенсивность электронной поляризации значительно выше.

С увеличением температуры поляризованность при электронной поляризации уменьшается за счет расширения тела.

Диэлектрическая проницаемость при электронной поляризации не зависит от частоты: даже при очень малой продолжительности половины периода электроны успевают сместиться до предела, поэтому для завершения поляризации требуется очень небольшое время, порядка 10^-15-10^-16 сек. Смещение электронов при электронной поляризации носит чисто упругий характер, и при исчезновении электрического поля – при разрядке конденсатора – электроны возвращаются в свое исходное состояние, причем весь процесс происходит без необратимого поглощения энергии. Энергия, израсходованная при создании электрического поля за счет электронной поляризации, т.е. энергия заряженного конденсатора, вся освобождается в процессе разряда – в процессе распада электрического поля.

Кроме электронной поляризации, в некоторых твердых диэлектриках может быть и другой вид поляризации – ионная характерна для ионных кристаллов. Сущность данной поляризации заключается в смещении ионов электрическим полем: положительных в сторону отрицательного электрода, отрицательных – в сторону положительного иона. Это смещение происходит на незначительные расстояния от положения равновесия при отсутствии электрического поля и носит упругий характер. Однако, в ионных кристаллах с рыхлой структурой, т.е. с неплотной упаковкой частиц, когда расстояние между ионами в узлах кристаллической решетки велики по сравнению с радиусами самих ионов, смещение последних может быть довольно велико. При этом возникают значительные суммарные электрические моменты в единице объема и наблюдается значительное возрастание емкости. Следовательно, такой диэлектрик будет иметь диэлектрическую проницаемость, намного превосходящую ее значение, обусловленное одной электронной поляризацией. Г.И. Сканави, изучая явление ионной поляризации, обнаружил у минирала перовскита диэлектрическую проницаемость, равную 160. Позднее им же были получены керамические материалы, у которых вследствие интенсивной поляризации ионного смещения диэлектрическая проницаемость имеет еще большее значение. Указанные материалы представляют большой интерес для практики, так как дают возможность получать конденсаторы с большой удельной емкостью в единице объема.

Время установления ионной поляризации несколько больше, чем электронной, что объясняется большей массой ионов. Однако оно достаточно мало, чтобы обеспечить практическую независимость соответствующей диэлектрической проницаемости от частоты.

Перечень аппаратуры

Обозначен	Наименование	Тип	Параметры
G1	Однофазный источник питания		~ 220 B / 16A
G2	Блок генераторов напряжений	213.2	± 15B, 0…+15 B, ~0..10B, - 15 B. 0.2..20 кГц
A4	Набор миниблоков «Электротехнические материалы»	600.18.	Миниблоки «Сегнетоэлектрик» и «Трансформатор с разъемным сердечником»
A5	Мультиметр		Цифровой мультиметр MY60T
	USB осциллограф
	Ноутбук