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.
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: где
При внесении пластины в это поле диэлектрик
поляризуется и на его поверхности появляются связанные заряды с поверхностной
плотностью .
Эти заряды создают в диэлектрике поле , направленное против внешнего поля , и имеет величину: . Результирующее поле: . В электрическом поле вектор поляризации:, где c -
диэлектрическая восприимчивость вещества. Связь модуля вектора поляризации с
плотностью связанных зарядов: . относительная
диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Вектор электрической индукции . Этот вектор определяется только свободными
зарядами и вычисляется как .
В рассматриваемой задаче на поверхности диэлектрика их нет. Вектор D связан
с вектором Е следующим соотношением .
Экспериментальная часть:
В данной работе используются формулы: , где S - площадь пластины конденсатора, d -
расстояние между ними. Диэлектрическая проницаемость материала: . Для емкости конденсатора имеем: , где U1 - напряжение на RC цепи,
U2 - напряжение на сопротивлении R, f -
частота переменного сигнала. В плоском конденсаторе напряженность связана с
напряжением U1 как:
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
|
СВ =176 пкФ; ССТ =429
пкФ;
СФП=270
пкФ; СГН=393 пкФ; СОС=336 пкФ;
; ;
; ;
Для гетинакса подсчитаем:
;
; ;
; ;
; ;
;
Расчет погрешностей:
; ; ;
;
;
(так как ).
;
Опыт № 2. Исследование зависимости e = f(E).
R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.
U1, В
|
U2, В
(воздух)
|
U2, В
|
С0,
пкФ
|
С, пкФ
|
Е, В/м
|
e
|
1
|
0,009
|
0,019
|
200
|
420
|
500
|
2,10
|
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 e = 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.
f,
кГц
|
U2, В
(воздух)
|
U2, В
(гетинакс)
|
ХС,
кОм
(гетинакс)
|
С0, пкФ
|
С, пкФ
|
e
|
20
|
0,015
|
0,030
|
20,0
|
199
|
398
|
2,00
|
40
|
0,029
|
0,059
|
10,2
|
192
|
391
|
2,04
|
60
|
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 e = 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.
a,0
|
U2,В
|
С, пкФ
|
Стеор, пкФ
|
0
|
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.
С0 =172пкФ - без диэлектрика;
С1 = 411пкФ - стеклотекстолит
толстый;
С1 = 225пкФ - стеклотекстолит
тонкий.
; ; ; ;
; ; ;
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.