Экспериментальные исследования диэлектрических свойств материалов.
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.
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 Е>0>
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
- 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 U>1>
- напряжение
на RC
цепи, U>2>
- напряжение на сопротивлении
R,
f -
частота переменного сигнала. В плоском
конденсаторе напряженность связана с
напряжением U>1>
как:
Опыт №1. Измерение диэлектрической проницаемости и характеристик поляризации материалов.
U>1>= 5В, R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.
|
Материал |
U>2>, мВ |
|
Воздух |
40 |
|
Стеклотекстолит |
97 |
|
Фторопласт |
61 |
|
Гетинакс |
89 |
|
Оргстекло |
76 |
> >
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 = f(E).
R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.
|
U>1>, В |
U>2>, В (воздух) |
U>2>, В (гетинакс) |
С>0>, пкФ |
С, пкФ |
Е, В/м |
|
|
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 = f(E) - приблизительно прямая, так как диэлектрическая проницаемость не зависит от внешнего поля.
Опыт № 3. Исследование зависимости диэлектрической проницаемости среды от частоты внешнего поля.
U>1>= 5В, R=120Ом.
|
f, кГц |
U>2>, В (воздух) |
U>2>, В (гетинакс) |
Х>С>, кОм (гетинакс) |
С>0>, пкФ |
С, пкФ |
|
|
20 |
0,015 |
0,030 |
20,0 |
199 |
398 |
2,00 |
|
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 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.
U>1>= 5В, R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м, r=0,06м, n=18.
|
,0 |
U>2>,В |
С, пкФ |
С>теор>, 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.
U>1>= 5В, R=120Ом, f=60 кГц.
Схема конденсатора с частичным заполнением диэлектриком.
U>2 >(стеклотекстолит тонкий)=0,051В,
U>2 >(стеклотекстолит толстый)=0,093В,
U>2 >(воздух)=0,039В.
С>0 >=172пкФ - без диэлектрика;
С>1> = 411пкФ - стеклотекстолит толстый;
С>1 >= 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.