5.4. Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь нитей (волокон)

Цель работы. Изучение установки и методики исследования диэлектри­ческих характеристик нитей (волокон).

Задание. 1. Изучить устройство и принцип действия установки ди­электрических измерений нитей (волокон).

2. Снять температурно-частотпыс зависимости тангенса угла диэлектри­ческих потерь 1§ б и относительной диэлектрической проницаемости нитей (волокон).

3. Рассчитать значения относительной диэлектрической проницаемости ис­следуемых нитей (волокон), а также построить зависимости 1^8

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Диэлектрические свойства текстильных материалов характери­зуют их способность реагировать на внешнее электрическое поле. В зависимости от температуры, частоты и амплитуды напряженности внешнего элек­трического поля характеристи­ки диэлектрических свойств материалов разной молекуляр­ной и надмолекулярной струк­туры изменяются по-разному.

Рис. 5.14. Последовательная (а) и параллельная (б) эквивалентные схе­мы и векторные диагаграммы конден­сатора с потерями

Поэтому определение диэлек­трических характеристик текстильных материалов в широком интервале температур и частот внешнего электрического поля дает возможность изучить особенности молекулярного и над­молекулярного строения веществ, составляющих текстильные материалы, молекулярное взаимодействие и релаксационные явления в них [5.4, 5.5].

Одной из основных характеристик электрических свойств ма­териала является его диэлектрическая проницаемость, которая обычно характеризуется относительной диэлектрической прони­цаемостью (диэлектрической постоянной) ε:

ε=C/C₀

где С — емкость конденсатора, заполненного исследуемым материалом; Со — емкость конденсатора с воздушным диэлектриком.

В случае идеального конденсатора (без потерь) в цепи пе­ременного тока между током и напряжением имеет место сдвиг по фазе на 90°. В реальном диэлектрике, помещенном в элек­трическое поле, возникают потери энергии, превращающейся в тепловую. Вследствие этого уменьшается угол сдвига фаз ме­жду током и напряжением.

Характеристикой потерь электрической мощности перемен­ного тока в диэлектрике является тангенс угла потерь. Углом потерь называется угол δ, дополняющий угол между током и напряжением в цепи конденса­тора до 90°.

Pис. 5.15. Кривые частотных (а) и температурных (б) зависимостей ди­электрических характеристик

На рис. 5.14 приведены эк­вивалентные схемы и вектор­ные диаграммы конденсатора с потерями, т. е. конденсатора идеальной емкости, последовательно или параллельно соеди­ненного с активным сопротивлением, обусловливающего возникновение эквивалентных по­терь. При этом для рис. 5.14, а

tg δ= ω RC

для рис. 5.14, б

tg δ= 1 / (ω RC)

где δ — угол потерь (δ = 90° — φ, где φ — угол сдвига между током и на­пряжением для реального конденсатора); со — угловая частота тока; R — активное сопротивление; С — емкость конденсатора.

Если волокна, содержащие полярные группы, поместить в электрическое поле, то наблюдается ориентация сегментов (звеньев) макромолекул и более мелких кинетических единиц, что обеспечивает определение диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь. В определенных интервалах темпе­ратур и частот кривые зависимости tg δ(f)_T и tgδ(Т)_f проходят через максимум, а иа кривых ε'(f)_T- и ε' (Т)_f появляется перегиб (рис. 5.15).

На величину диэлектрических потерь оказывают влияние многие факторы: химическое строение текстильных волокон, степень их кристаллизации, ориентация надмолекулярной струк­туры, растяжение и др. Все это необходимо учитывать при ана­лизе результатов исследования.

Температурно-частотные исследования диэлектрических па­раметров текстильных волокон проводятся на специальной уста­новке, блок-схема которой приведена на рис. 5.16.

Рис. 5.16. Блок-схема установки для диэлектрических исследований

Генератор частоты представляет собой низкочастотный ге­нератор сигналов ЗГ-56/1 с диапазоном частот от 20 Гц до 200 кГц. Он предназначен для подачи синусоидального напря­жения на измерительный мост. В плечо измерительного моста включен конденсатор С_х, в котором диэлектриком служит ис­следуемый материал (текстильные нити или волокна).

Основными элементами управления на передней панели ге­нератора являются: ручка потенциометра «рег. выхода», которой устанавливают требуемое выходное напряжение; ручка «частота H_Z» (круглая шкала частоты) и клавишные пере­ключатели «множитель частоты» — • для установки требуемой частоты сигнала генератора.

Точный мост Шеринга (ВМ-4006) предназначен для измере­ния емкости в широких пределах. Коэффициент потерь tg δ мож­но отсчитывать в пределах 0 — 10^-1. Принципиальная схема дан­ного моста приведена на рис. 5.17.

Рис. 5.17. Принципиальная схема моста Шеринга (питание переменным напряже­нием с частотой, на которой проводятся из­мерения)

Измерительную ячейку с исследуемым веществом (изменяе­мая емкость С_х) включают в плечо аб моста. Переменное на­пряжение с заданной частотой подается в одну из диагоналей моста (бг), а в другую диагональ (ав) включен индикатор нуля.

и емкостью С2 достигают равенства нулю тока в диагона­ли ав; на экране осциллографа индикатора нуля появляется прямая линия. Из условия С_ХR1 = С1R2 определяют:

неизвестную емкость

С_х = С ₁R₂/R₁

и тангенс угла потерь

tg δ= 1 / (ω R₁C₂)

Компенсация tg δ осуществляется с помощью конденсатора переменной емкости С₂ (нижняя правая ручка на передней панели прибора и окошечко со шкалой «Х10~³»). Более высо­кие значения tg δ компенсируются с помощью сопротивлений, включенных последовательно с эталонным конденсатором (пе­реключатель «потери-6» на передней панели прибора).

Чтобы определить tg δ, показания на переключателе «по­тери-6» и на шкале «Х10~³» складывают. Например, измерения производят на частоте 2 кГц, переключатель стоит на частоте 2 кГц против риски 4, в окошечке «Х10^-3» риска стоит на де­лении 5,2. Результирующее значение tg δ получают сложением показаний переключателя «потери-6» и шкалы «X10^-3», т. е. 4*10^-2 + 5,2 *10^-3 =4,52 *10^-2.

Индикатор нуля Ф-550 представляет собой высокочувстви­тельный электронный избирательный усилитель переменного тока, работающий в диапазоне 20-Ю⁵ Гц. Прибор применяется в качестве указателя равновесия в мостовых схемах (включен в диагональ ав моста — см. рис. 5.17).

Рабочий диапазон частот разбит на три поддиапазона:

(Х10) —от 20 Гц до 2 кГц;

(Х10) —от 1 до 10 кГц;

Рис. 5.18. Схема измерительной ячейки

(Х100)— от 10 до 100 кГц.

Установка частоты на каждом под­диапазоне осуществляется дискретно с помощью переключателей «частота».

В качестве индикатора равновесия моста в приборе используется электронно-лучевая трубка с разверткой по горизонтали (осьY) от генератора звукового сигнала ЗГ-56/1. На вход индикатора нуля (отклонение луча по вертикали — ось Y) подается напря­жение разбаланса моста. Когда мост сбалансирован, входное напряжение по оси Y равно 0 и на экране осциллографа видна горизонтальная линия.

Термостат и регулятор температуры обеспечивают термоста-тирование измерительной ячейки в интервале температур 35— 300 °С с точностью 0,4 °С. Заданная температура выставляется поворотом барабана реохорда на передней панели прибора.

Измерительная ячейка (рис. 5.18) представляет собой два круглых измерительных электрода, служащих обкладками пло­ского конденсатора. Нижний электрод 1 является базовым, а верхний 3 — съемный, подвижный, что позволяет изменять пло­щадь обкладок конденсатора и расстояния между ними. Между электродами расположен исследуемый материал 2 — параллели-зованная система текстильных волокон. Расстояние между элек­тродами, т. е. толщина диэлектрика, определяется по шкале микрометра 4.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Испытания по определению диэлектрических характеристик текстильных ма­териалов проводятся в приведенной ниже последовательности.

Нити (волокна) укладывают параллельно в измерительную ячейку и за­крепляют между электродами ячейки с помощью микрометрического винта. По показаниям микрометра (до и после закрепления его между электродами) определяют толщину изучаемого материала. Заряженную таким образом из­мерительную ячейку устанавливают в термокамере и к ней присоединяют сиг­нальные электроды. После этого дверцу термокамеры плотно закрывают Включением тумблеров «сеть» и «вкл.» на генератор сигналов и индикатор нуля подается сетевое питающее напряжение 220 В.

На приборе «Генератор сигналов» делают следующие переключения:

нажимают на клавишу «множитель частоты»;

устанавливают переключатель пределов шкалы вольтметра в нулевое по­ложение. При таком положении переключателя выходное напряжение считы­вается по средней шкале «30 В»;

ручкой «рег. выхода» устанавливают выходное напряжение генератора, равное 3—5 В;

ручкой «частота» и клавишами «множитель частоты» устанавливают тре­буемую частоту исследований.

На приборе «Индикатор нуля» производят следующие переключения:

переключатель «чувствительность» ставят в положение «гшп»;

ручками «яркость» и «фокус» добиваются наибольшей четкости изображе­ния электронного луча на экране осциллографа;

переключателем «частота» выставляют точно такую же частоту, что и ча­стота генератора;

переключатель «чувствительность» устанавливают в положение «.'МЫ!)». На приборе «Точный мост для измерения емкости» производит следуюшие операции:

переключатель «потери-6» ставят на частоту, наиболее близкую исследований;

переключатель «диапазон» устанавливают в положение 10⁷ и прашпют до тех пор, пока прямая линия на экране осциллографа не превратится еллипс.

Если эллипс окажется наклонным, ручками декадных переключателей «емкость» и «tg δ» добиваются появления на экране осциллографа горизон­тальной линии. Затем увеличивают чувствительность прибора «Индикатор пуля» и снова вращением декадных переключателей «емкость» и «tgδ» доби­ваются появления горизонтальной линии на экране осциллографа. Таким об­разом, чувствительность прибора «Индикатор нуля» доводят до значения «mаx».

При максимальной чувствительности снимают показания моста и запи­сывают значение емкости С и тангенса угла диэлектрических потерь в таб­лицу (при заданных параметрах температуры и частоты). После этого вклю­чают тумблер «сеть» на регуляторе температуры термостата.

Регулятором температуры устанавливают Т = 35 °С (вращением барабана реохорда). Подтверждением достижения заданного уровня температуры яв­ляется загорание двух сигнальных лампочек. При достижении в термокамере с измерительной ячейкой заданной температуры правая лампочка тускнеет. После этого выжидают 5 мин, чтобы проба прогрелась равномерно по всему объему, и балансируют мост вращением переключателей «емкость» и «tg δ» до получения на экране осциллографа прямой линии. Значение емкости С и tg δ записывают в журнал исследований.

Вращением 'барабана реохорда устанавливают следующее значение тем­пературы (40 ^СС) и снова, сбалансировав измерительный мост, записывают значения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь. Таким образом, снимают температурную зависимость емкости С и {§ 6 на фиксированной ча­стоте: С (Т) и tg δ (Т). При одновременном изменении частоты при данной температуре снимают серию температурно-частотных зависимостей емкости С и tg δ исследуемого материала.

По окончании эксперимента выключают все приборы в обратном порядке.

Расчет и обработка результатов исследований. Относительную диэлектри­ческую проницаемость определяют по формуле

ε`= Cd/ (ε₀S)

где С — значения емкости, полученные из эксперимента (показания моста), Ф (из формы 5.1); d — толщина исследуемого материала, м; ε₀ — диэлектри­ческая проницаемость вакуума, Ф/м; S — площадь измерительного электро-ла, м².

Расчетные значения е' заносят в таблицу по приведенной ниже форме. После этого определяют тангенс угла потерь tg δ. При фиксированных часто­тах 200, 800 Гц и др. значения 1д б отсчитывают по шкале прибора. При ча­стотах, промежуточных между частотами, установленными на генераторе и измерительном мосту, tg δ определяют расчетным путем:

tgδ = tg δ` f/f₁

где tgδ' — отсчитанное значение тангенса угла потерь с помощью моста; / частота генератора ЗГ-56/1; f₁ — частота на измерительном мосту, устленная переключателем «потери-6».

Построение совмещенных кривых температурной зависимости г/ и (к^ч при заданной частоте. Для построения графика используют данные отчетной таблицы (см. форму). На кривых находят значение температуры T_max, при которой на кривой tg δ(Т) имеет место максимум, а на кривой ε' (Т) точки перегиба.

Построение совмещенных кривых температурно-частотной зависимости tg δ(Т) и ε'(T). Кривые строят по аналогии с предыдущими кривыми, но при разных частотах.

УКАЗАНИЯ ПО ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать: основные сведения по диэлектрическим свойствам текстильных материалов, связи этих свойств со структурой и свойствами ве­ществ текстильных материалов; схему и принцип действия установки для ди­электрических измерений нитей (волокон); результаты испытаний (фор­ма 5.1); кривые температурно-частотных зависимостей tg δ = f(Тf_Г, ε'= f (T)_f

Форма 5.1

T, °с

С, Ф

εо, Ф/М

ε'

tg δ'

tg δ

Список литературы

5.1. Фриш С. Э., Тиморева Л. В. Курс общей физики. М., 1957. Т. III.

5.2. Поляризационный микроскоп МИ-8. Описание (заводская инструк­ция).

5.3. ГОСТ 19806—74. Нити химические. Метод определения электриче­ского сопротивления.

5.4. Бартенев Г. М., Зеленев Ю. В. Физика и механика полимеров. М., 1983.

5.5. Электрические свойства полимеров/Под ред. Сажина Б. И. Л., 1977.