4. Лабораторный практикум

4.1. Исследование диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектриков

Цель работы: измерение диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости материалов.

Приборы и принадлежности: лабораторный стенд по исследованию параметров диэлектрических радиоматериалов, плоский разборный конденсатор, микровольтметр, милливольтметр, частотомер, образцы диэлектриков, набор конденсаторов.

Теоретическая часть

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящего в электрическом поле [10]. Диэлектрические потери по их физической природе и особенностям [3,10] подразделяют на четыре основных вида:

• потери на электропроводность,

• релаксационные потери,

• ионизационные потери,

• резонансные потери.

Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную.

Релаксационные потери обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Они характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации, и проявляются в области достаточно высоких частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля.

Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии.

Резонансные потери в некоторых газах при строго определенной частоте выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери возможны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой колебаний частиц твердого вещества.

В инженерной практике чаще всего для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла. Углом диэлектрических потерь  называют угол, дополняющий до 90⁰ угол сдвига фаз  между током и напряжением в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол 90⁰, при этом угол  = 0. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз  и тем больше угол диэлектрических потерь  и его функция tg.

Схема, эквивалентная конденсатору с реальным диэлектриком, обладающим потерями, представлена на рис. 4.1.1. Эта схема выбирается с таким расчетом, чтобы активная мощность, расходуемая в данной схеме, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а ток был бы сдвинут относительно напряжения на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе. Различают параллельную схему замещения, когда конденсатор с потерями заменяют идеальным конденсатором с параллельно включенным а ктивным сопротивлением (рис. 4.1.1, а), и последовательную схему замещения, когда конденсатор с потерями заменяют идеальным конденсатором с последовательно включенным сопротивлением (рис. 4.1.1, б).

Для параллельной схемы из векторной диаграммы:

tg = I_a/I_c = 1/(C_pR), (4.1.1)

Рис. 4.1.1. Параллельная (а) и последовательная (б) эквивалентные схемы диэлектрика с потерями и векторные диаграммы для них

P_а = UI_а = U²C_ptg , (4.1.2)

для последовательной схемы:

tg = U_a/U_c = C_sr, (4.1.3)

Р_а = , (4.1.4)

С_p = , R = r(1+ ). (4.1.5)