Реферат: Экспериментальные исследования диэлектрических свойств материалов.
Реферат: 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.
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
(гетинакс)
|
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 |
0,041 |
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 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 |
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.
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.
|