2.1. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ВИЗНАЧЕННЯ
Будь-діелектрик з нанесеними на нього електродами може розглядатися як конденсатор певної ємності. Під дією електричного поля діелектрик поляризується, тобто набуває електричний момент. Завдяки поляризації діелектрика при заданій напрузі на обкладинках утримується додатковий заряд, тобто зростає ємність конденсатора. Ставлення ємності конденсатора з діелектриком до ємності того ж конденсатора у вакуумі визначає відносну діелектричну проникність матеріалу. Діелектрична проникність тісно пов'язана з внутрішньою будовою діелектрика, яке обумовлює той чи інший механізм поляризації,
Поляризація може бути викликана пружним зсувом і деформацією електронних оболонок під дією поля (електронна поляризація), орієнтацією дипольних молекул (дипольно-релаксаційна) або зміщенням (іонно-релаксаційна), Електронна та іонна поляризація відносяться до розряду миттєвих. Решта види поляризації є уповільненими.
Діелектричними втратами називають електричну потужність, затрачену на нагрів діелектрика, що знаходиться в електричному полі. Втрати енергії в діелектриках спостерігаються як при змінному, так і при постійній напрузі. Для твердих і рідких діелектриків характерні два основних механізми втрат:
1) втрати, зумовлені електропровідністю матеріалу;
2) втрати, зумовлені уповільненими видами поляризації (релаксаційні втрати).
Діелектричні втрати прийнято характеризувати тангенсом кута втрат. Кутом діелектричних втрат # 948; називають кут, що доповнює до 90º кут зсуву фаз # 966; між струмом і напругою в ємнісний ланцюга. Безрозмірний параметр tg # 948; не залежить від форми і розмірів ділянки ізоляції, а визначається лише властивостями матеріалу. У загальному випадку значення tg # 948; може істотно змінюватися при зміні температури і частоти.
При вимірах діелектричної проникності і tg # 948; на промислової і звукових частотах зазвичай використовують мостові схеми, а для вимірювань в діапазоні радіочастот найбільшого поширення набули резонансні методи. Існує кілька різновидів резонансних методів вимірювань tg # 948 ;, що розрізняються за способом вимірювання добротності. Добротність Q є характеристикою резонансних властивостей коливального контуру і дорівнює відношенню колебательной (реактивної) потужності, запасеної в контурі, до потужності втрат. Фактично добротність є величиною, зворотної tg # 948; коливальні системи:
У даній роботі добротність при випробуванні діелектриків вимірюється по зміні напруги в послідовному контурі при його налаштуванні в резонанс.
2.2. ОПИС УСТАНОВКИ
Вимірювання діелектричної проникності і tg # 948; діелектриків проводиться за допомогою приладу Е 9 - 4, який є вимірником добротності. Вимірювальний контур являє собою послідовний ланцюг, що складається з котушки індуктивності L, еквівалентного активного опору Rk і конденсатора змінної ємності c (рис. 2.1). У контур вводиться напруга від генератора високої частоти G, контрольоване ламповим вольтметром PV 1 (вольтметр рівня). Показання вольтметра PV 2 пропорційні добротності Q контуру.
Вимірювання діелектричної проникності і tg # 948; матеріалів засноване на порівнянні резонансних характеристик коливального контуру при включенні і відключенні зразка. Спочатку виміром ємності c0 налаштовують вимірювальний контур в резонанс з частотою генератора при відключеному зразку і фіксують резонансні параметри Q1 і c1. У момент резонансу має місце рівність індуктивного і ємнісного реактивних опорів. Потім підключається випробуваний конденсатор, і контур знову налаштовується в резонанс.
Мал. 2.1. Принципова схема вимірювального контуру
За рахунок втрат в діелектрику, якi характеризуються еквівалентним опором rx. добротність контуру знижується до рівня Q2. а ємність настроечного конденсатора при резонансі зменшується до значення C2. Оскільки еквівалентна ємність контуру при резонансі повинна залишатися незмінною, то виконується рівність:
Звідси легко знаходиться ємність зразка і по відомим геометричних розмірів розраховується діелектрична проникність. Знаючи добротності Q1 і Q2. визначають tg # 948; досліджуваного матеріалу. Необхідною умовою правильності вимірів є підтримання сталості вихідної напруги генератора U1 на заданому рівні протягом всього досвіду. Досліджувані зразки підключаються паралельно вимірювального конденсатора за допомогою спеціальної системи електродів.
2.3. ПРОВЕДЕННЯ ВИПРОБУВАНЬ
Підготовка до випробування
Поставити перемикач роду робіт на лицьовій панелі приладу в положення «УСТ. НУЛЯ », а потенціометр« РІВЕНЬ »- в крайнє ліве положення. Включити тумблер «МЕРЕЖА», розімкнути контакт S в ланцюзі зразка. За допомогою перемикача «ДІАПАЗОНИ» і верньерного пристрою «ЧАСТОТА» встановити частоту, зазначену викладачем. Після прогрівання ламп протягом 3-5 хвилин перемикач «ШКАЛИ Q» поставити в положення «200», ручками «НУЛЬ Q» і «НУЛЬ РІВНЯ» встановити нулі лампових вольтметрів. В ході подальших вимірювань виробляти періодичну перевірку стану нуля.
Перемикач роду робіт поставити в положення «ВИМІР». Ручкою «РІВЕНЬ» поставити стрілку вольтметра рівня PV 1 на червону ризику і підтримувати в цьому положенні під час вимірювань.
2.3.2. Визначення діелектричної проникності і tg # 948; твердих діелектриків
Плавно обертаючи ручку вимірювального конденсатора «ЄМНІСТЬ, pF», і поєднану з нею ручку підлаштування конденсатора «# 916; c, pF» налаштувати контур в резонанс з максимального відхилення стрілки вольтметра PV 2. Відрахувати значення добротності контуру Q1 і резонансної ємності. Резонансна ємність з1 є сумою ємностей основного С0 і додаткового С0 доб конденсаторів.
За допомогою знімною ручки підключити до вимірювального контуру випробуваний зразок. Зменшуючи ємність конденсатора С0. знову домогтися резонансу в контурі. Зафіксувати резонансні параметри Q2 і с2.
Аналогічним чином зробити виміри інших зразків. Результати вимірювань, а також геометричні розміри діелектриків записати в табл. 2.1.
Результати визначення діелектричної проникності і tg # 948; твердих діелектриків
Після закінчення роботи вимкнути живлення вимірювальної установки.
2.4. ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ
2.4.1. Обчислення діелектричної проникності досліджуваних діелектриків проводиться по виміряної ємності і геометричні розміри зразка з урахуванням його форми. Для ємності плоского конденсатора справедливо вираз:
де # 949; 0 = 8,85 · 10 -12 Ф / м - електрична постійна; # 949; - відносна діелектрична проникність; S - площа електродів; h - товщина діелектрика.
Слід враховувати, що у країв електродів поле спотворюється, тому розрахунок за формулою (2.1) може давати помітну погрішність. Виміряна ємність СX складається з двох складових:
де сд - ємність, відповідна потоку електричної індукції в діелектрику (за значенням цієї ємності обчислюють діелектричну проникність); скр - крайова ємність, обумовлена потоком індукції в повітрі між електродами. Крайова ємність може бути визначена з рис. 2.2, де її значення вказано у відсотках від ємності повітряного конденсатора з тим же відстанню h між електродами, що і в разі випробуваного зразка. Для розрахунку св використовується формула (2.1), в якій треба покласти # 949; = 1.
З урахуванням крайової ємності діелектрична проникність ізоляційного матеріалу розраховується за формулою:
Рис.2.2. Залежність крайової ємності від розмірів конденсатора
2.4.2. Обчислення тангенса кута втрат випробовуваних діелектриків здійснюється за формулою:
де с1 - ємність контуру в момент резонансу без зразка, яка дорівнює сумі ємностей настроювальних конденсаторів С0 і c0 доб; cx - ємність підключеного зразка; Q1 і Q2 - добротність вимірювального контуру при відключеному і включеному зразку, відповідно.
результати розрахунків # 949; і tg # 948; занести в табл.2.1.