51

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ

ТАНГЕСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

ДИЭЛЕКТРИКОВ НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение явления поляризации в диэлектриках, воздействия частоты приложенного электрического поля на величины диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь.

Основные теоретические положения

При действии электрического поля на диэлектрик в нем протекает процесс поляризации – упругое смещение связанных зарядов или ориентация вдоль поля дипольных моментов полярных молекул. Состояние диэлектрика при этом оценивается количественно с помощью вектора электрического смещения, который связан с величиной электрического поля соотношением

D = ε’·E

где ε’ = ε₀·ε – абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества, Ф/м,

ε – относительная диэлектрическая проницаемость вещества, вакуума Ф/м.

Относительная диэлектрическая проницаемость позволяет оценить, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора при замене вакуума исследуемым диэлектриком. Для плоского конденсатора относительная диэлектрическая проницаемость

;

S – площадь электрода, см² ,

d – толщина диэлектрика между электродами, см

C_х – емкость конденсатора, пФ

В соответствии с видами смещающихся под действием электрического поля зарядов различают несколько видов поляризации. Основными из них являются: электронная, ионная, дипольная и спонтанная, структурная, миграционная.

Наиболее легко и быстро на электрическое поле реагируют электроны. Их смещение относительно неподвижного ядра приводит к упругой деформации электронных оболочек атомов. Эта деформация мгновенно устраняется после снятия электрического поля. Время установления этого вида поляризации составляет 10^-14 - 10^-15 с.

Величина смещения электронов невелика, что обуславливает низкую относительную проницаемость веществ с чисто электронной поляризацией (2–2,5). Такую поляризацию в чистом виде имеют неполярные вещества, например, неполярные жидкости: нефтяное масло, октол; неполярные твердые вещества: парафин, полиэтилен, фторопласт–4. Электронная поляризация присутствует во всех диэлектриках, но в некоторых на нее накладываются другие виды поляризации в зависимости от наличия способных к смещению связанных зарядов, тогда ε вещества возрастает. Если диэлектрик имеет кристаллическую структуру с ионным строением кристалла (слюда, керамика), то в нем происходит ионная поляризация – упругое смещение ионов под действием внешнего электрического поля. Время установления ионной поляризации 10^-13 – 10^-12с. Диэлектрическая проницаемость веществ с ионной поляризацией – 4-30 (у стекол и керамики может достигать значений 200–300). Для некоторых видов керамики свойственно стремление к образованию доменной структуры при температурах, меньших некоторой определенной величины (эта температура названа точкой Кюри). У таких материалов даже без приложения электрического поля наблюдается самопроизвольное смещение зарядов в пределах доменов. При наложении электрического поля в таких диэлектриках идет спонтанная поляризация. Время установления спонтанной поляризации – 10^-7 – 10^-9 с. При температуре выше точки Кюри спонтанная поляризация исчезает.

В случае полярных диэлектриков, когда молекулы их имеют несимметрическое в электрическом отношении строение и обладают дипольным моментом, под действием внешнего электрического поля диполи ориентируется вдоль поля, т.е. происходит дипольная поляризация.

Величина диэлектрической проницаемости для полярных диэлектриков лежит в пределах 3–8. Время установления поляризации – 10^-8 –10^-6 с.

При воздействии на диэлектрик электрического поля часть энергии поля в диэлектрике переходит в тепло и вызывает нагрев диэлектрика. Эта часть энергии поля, рассеивающаяся в диэлектрике в единицу времени, называется диэлектрическими потерями. Природа диэлектрических потерь обуславливается токами абсорбции, являющимися следствием поляризационных процессов и тока сквозной проводимости.

Качество диэлектрика характеризуют удельными потерями (т.е. мощностью, выделяющейся при данной рабочей частоте в единице объема диэлектрика), углом диэлектрических потерь или, чаще, тангенсом угла диэлектрических потерь.

Углом диэлектрических потерь называется угол δ, дополняющий до 90˚ угол сдвига фаз φ между векторами тока и напряжения в емкостной цепи. Этот угол, а также тангенс его увеличивается с ростом потерь энергии в диэлектрике.

1. Определение ε и tg δ твердых диэлектриков при частоте 1000Гц.

а) подключить измеряемый объект к соответствующим зажимам, расположенным на передней панели прибора;

б) рукоятку «чувствит.» установить в крайнее левое положение;

в) переключатели пределов и основного отсчетного плеча установить в средние положения;

г) подготовить мост к сети с напряжением 220В, 50 Гц;

д) установить левый переключатель в требуемое положение;

е) первым крайним переключателем выбрать требуемую схему измерения (схема указывается световым табло, расположенным над переключателем);

ж) установить рукоятку «чувствит.» в такое положение, чтобы стрелка указателя равновесия отклонилась в пределах шкалы. Переключая центральный переключатель (переключатель пределов), добиться минимального отклонения стрелки указателя равновесия;

з) при измерении емкости и индуктивности, постепенно увеличенная чувствительность рукояткой «чувствит.», поочередным вращением нижних рукояток (правой и левой) добиться минимального отклонения стрелки указателя равновесия;

и) при работе на пределах «10^-4 μҒ», «10^-4 μҒ» отсчет необходимо умножить на 0,1; при работе на пределах «10 μҒ», «10^-2 μҒ» отсчет необходимо умножить на 10.

На остальных пределах отсчет прямой.

к) измерить толщину диэлектрика и диаметр меньшего электрода.

2. Исследование зависимости ε и tg δ от частоты.

Повторить измерения ε и tg δ твердых диэлектриков при частотах, указанных преподавателем.

Таблица 1

Наименование материала	ƒ,Гц	С,мкФ	tg δ	ε	Рn Вт/м3	Примечание
						Диаметр измерительного электрода =120мм

Контрольные вопросы

1. Что такое поляризация диэлектриков и какой величиной она оценивается?

2. Как определяется диэлектрическая проницаемость твердых и жидких диэлектриков?

3. Что такое угол диэлектрических потерь?

4. Объяснить характер частотной зависимости разных диэлектриков.

5. Удельные потери мощности p и p в диэлектрике. Коэффициент диэлектрических потерь.

ЛИТЕРАТУРА

1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. М.: Госэнергоиздат, 1985.

2. Тареев Б.М., Казарновский Д.М. Испытания электроизоляционных материалов. М.: Госэнергоиздат, 1959.

3. Справочник по электротехническим материалам. М.: Энергоатомиздат, 1987.Т.2, стр.374-386.

4. С.Н. Колесов, И.С. Колесов “Материаловедение и технология конструктивных материалов”. 2004г.: М: “Высшая школа”

_______________________________

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение магнитных свойств технически чистого железа и листовой электротехнической стали до и после пластической деформации.

В зависимости от магнитных свойств вещества подразделяются на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Количественную оценку магнитных свойств вещества принято давать по его магнитной восприимчивости Х, которая представляет собой коэффициент пропорциональности между напряженностью Н приложенного внешнего магнитного поля намагниченностью М, т.е.

М=ХН

В качестве магнитных материалов, имеющих важное значение в современной технике, применяются ферромагнитные вещества.

Магнитные свойства материалов в общем случае определяются совокупностью ряда физических явлений: движением электронов по орбитам вокруг ядра (при этом создается орбитальный магнитный момент); свойствами электронов (вращение вокруг собственной оси), которые связаны с созданием спинового магнитного момента; строением электронных оболочек и др.

Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри магнитных материалов ниже определенной температуры (точки Кюри) областей – доменов, в которых магнитные моменты ориентированы параллельно друг другу и одинаково направлены.

Таким образом, характерным для ферромагнитного состояния вещества является наличие в нем самопроизвольной (спонтанной) намагниченности без приложения внешнего магнитного поля, т.е. результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля. При воздействии внешнего поля магнитные моменты доменов приобретают преимущественное направление этого поля, и ферромагнитное вещество намагничивается.

Ферромагнитные вещества характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (Х>>1), ее нелинейной зависимостью от напряженного поля и температуры, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых полях, гистерезисом (зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния), точкой Кюри (температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства).

К ферромагнитным веществам относятся Fe, Ni, Co, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы Mn, Ag, Al.

Наиболее общим принципом классификации магнитных материалов является их деление на магнитно-мягкие, обладающие высокой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис и магнитно-твердые, обладающие сравнительно малой проницаемостью, большой коэрцитивной силой и высокой магнитной энергией.