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.
[pic]
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: [pic] где [pic] При внесении пластины в это поле диэлектрик
поляризуется и на его поверхности появляются связанные заряды с
поверхностной плотностью [pic]. Эти заряды создают в диэлектрике поле
[pic], направленное против внешнего поля [pic], и имеет величину: [pic].
Результирующее поле: [pic]. В электрическом поле вектор поляризации:[pic],
где ( - диэлектрическая восприимчивость вещества. Связь модуля вектора
поляризации с плотностью связанных зарядов: [pic]. [pic]относительная
диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Вектор электрической индукции
[pic]. Этот вектор определяется только свободными зарядами и вычисляется
как [pic]. В рассматриваемой задаче на поверхности диэлектрика их нет.
Вектор D связан с вектором Е следующим соотношением [pic].
Экспериментальная часть:
В данной работе используются формулы: [pic], где S - площадь пластины
конденсатора, d - расстояние между ними. Диэлектрическая проницаемость
материала: [pic]. Для емкости конденсатора имеем: [pic], где U1 -
напряжение на RC цепи, U2 - напряжение на сопротивлении R, f - частота
переменного сигнала. В плоском конденсаторе напряженность связана с
напряжением U1 как: [pic][pic]
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 |
[pic] СВ =176 пкФ; ССТ =429 пкФ;
СФП=270 пкФ; СГН=393 пкФ; СОС=336 пкФ;
[pic] [pic]; [pic];
[pic]; [pic];
Для гетинакса подсчитаем:
[pic];
[pic]; [pic];
[pic]; [pic];
[pic]; [pic];
[pic];
Расчет погрешностей:
[pic]; [pic]; [pic];
[pic];
[pic];
[pic]
[pic] (так как [pic]).
[pic]; [pic]
[pic]
Опыт № 2. Исследование зависимости ( = f(E). R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.
[pic] [pic] [pic]
|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.
U1= 5В, R=120Ом.
[pic] [pic] [pic]
|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 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.
[pic]
[pic] [pic]
|(,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.
[pic]
С0 =172пкФ - без диэлектрика;
С1 = 411пкФ - стеклотекстолит толстый;
С1 = 225пкФ - стеклотекстолит тонкий.
[pic]; [pic] ; [pic]; [pic];
[pic]; [pic]; [pic];
[pic]
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.