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.

С_В =176 пкФ; С_СТ =429 пкФ;

С_ФП=270 пкФ; С_ГН=393 пкФ; С_ОС=336 пкФ;

; ;

; ;

Для гетинакса подсчитаем:

;

; ;

; ;

; ;

;

Расчет погрешностей:

; ; ;

;

;

(так как ).

;

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

R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.

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.

По графику зависимости e = F(f) видно, что диэлектрическая проницаемость среды не зависит от частоты внешнего поля. График зависимости Х_С=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.

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.