Экспериментальные исследования диэлектрических свойств материалов (№30)

Экспериментальные исследования диэлектрических свойств материалов (№30)

Нижегородский Государственный Технический Университет.

Лабораторная работа по физике №2-30.

Экспериментальные исследования диэлектрических

свойств материалов.

Выполнил студент

Группы 99 – ЭТУ

Наумов Антон Николаевич

Проверил:

Н. Новгород 2000г.

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.

[pic]

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: [pic] где [pic] При внесении пластины в это поле диэлектрик

поляризуется и на его поверхности появляются связанные заряды с

поверхностной плотностью [pic]. Эти заряды создают в диэлектрике поле

[pic], направленное против внешнего поля [pic], и имеет величину: [pic].

Результирующее поле: [pic]. В электрическом поле вектор поляризации:[pic],

где ( - диэлектрическая восприимчивость вещества. Связь модуля вектора

поляризации с плотностью связанных зарядов: [pic]. [pic]относительная

диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Вектор электрической индукции

[pic]. Этот вектор определяется только свободными зарядами и вычисляется

как [pic]. В рассматриваемой задаче на поверхности диэлектрика их нет.

Вектор D связан с вектором Е следующим соотношением [pic].

Экспериментальная часть:

В данной работе используются формулы: [pic], где S - площадь пластины

конденсатора, d - расстояние между ними. Диэлектрическая проницаемость

материала: [pic]. Для емкости конденсатора имеем: [pic], где U1 -

напряжение на RC цепи, U2 - напряжение на сопротивлении R, f - частота

переменного сигнала. В плоском конденсаторе напряженность связана с

напряжением U1 как: [pic][pic]

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 |

[pic] СВ =176 пкФ; ССТ =429 пкФ;

СФП=270 пкФ; СГН=393 пкФ; СОС=336 пкФ;

[pic] [pic]; [pic];

[pic]; [pic];

Для гетинакса подсчитаем:

[pic];

[pic]; [pic];

[pic]; [pic];

[pic]; [pic];

[pic];

Расчет погрешностей:

[pic]; [pic]; [pic];

[pic];

[pic];

[pic]

[pic] (так как [pic]).

[pic]; [pic]

[pic]

Опыт № 2. Исследование зависимости ( = f(E).

R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.

[pic] [pic] [pic]

|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.

[pic] [pic] [pic]

|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.

[pic]

[pic]

[pic]

|(,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.

[pic]

С0 =172пкФ - без диэлектрика;

С1 = 411пкФ - стеклотекстолит толстый;

С1 = 225пкФ - стеклотекстолит тонкий.

[pic]; [pic] ; [pic]; [pic];

[pic]; [pic]; [pic];

[pic]

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.