Література.

1. М.Г.Крутякова, Н.А.Чарыков, В.В.Юдин, „Полупроводниковые приборы и основы их проектирования”, М., Радио и связь, 1983.

2. Н.П.Богородицкий, Е.Е.Пасынков, Б.М.Тареев, „Электротехнические материалы”, Л., Энергия, 1977.

3. Я.Штофа, „Электрические материалы в вопросах и ответах”, М., Энергоатомиздат, 1984.

4. Р.М.Терещук, К.М.Терещук, С.А.Седов, „Справочник радиолюбителя”,

К., Наукова думка, 1988.

Лабораторна робота №6

Тема: Вивчення характеристик твердих діелектриків.

Мета роботи: Вимірювання діелектричної проникності, діелектричних втрат та питомого опору твердих ізоляційних матеріалів.

Прилади і матеріали: Міст змінного струму ЦЕ 5002, зразки матеріалів.

Теоретичні відомості.

Тверді діелектричні матеріали (діелектрики в електричному полі набувають ряд властивостей, одна з яких – поляризація діелектрика.

Під поляризацією діелектрика розуміють обмежене зміщення зв‘язаних електричних зарядів або дипольних молекул діелектрика в напрямку діючих на них сил і тим більше, чим вища напруженість електричного поля Е.

Будь який діелектрик з нанесеними на нього електродами, ввімкнений в електричне коло, являє собою конденсатор, заряд якого

Q=CU ;

де: С – ємність конденсатора; U – прикладена напруга.

Заряд конденсатора при заданій напрузі можна уявити складеним з двох доданків:

Q=Q_o+Q_d ;

де: Q_o,Q_d – заряди, обумовлені відповідно геометричними розмірами електродів (якби вони були розділені вакуумом) і поляризацією діелектрика.

Кількісною оцінкою процесу поляризації в діелектриках є відносна діелектрична проникність , яка представляє собою відношення заряду Q реального конденсатора до заряду Q_o (вакуумного):

;

З наведеного виразу виходить, що відносна діелектрична проникність будь якої речовини більша від одиниці.

Відносну діелектричну проникність визначають одночасно з іншою електричною характеристикою – тангенсом кута діелектричних втрат .

Розсіювання енергії в матеріалі спостерігається як при змінній так при постійній напрузі, але головну роль відіграють процеси при змінній напрузі. Електрична потужність, яка витрачається в електроізоляційному матеріалі при знаходженні в електричному полі, називається діелектричними втратами.

Розглянемо зразок електроізоляційного матеріалу, який знаходиться під змінною напругою.

Якщо б діелектричних втрат не було, то кут між напругою, діючою на ізоляційний матеріал і струмом, який протікає крізь нього, дорівнював би 90^о. В зв‘язку з тим, що ізоляція практично має активну провідність, кут зсуву фаз між напругою і струмом менше 90^о. Різниця між 90^о та кутом зсуву фаз називається кутом діелектричних втрат.

Зразок матеріалу з втратами представляють у вигляді еквівалентної схеми зміщення (див. рис.1), де (де зсув фаз між струмом і напругою.

Для паралельної схеми діелектричних втрат

; (1) (1)

Ємність еквівалентної паралельної схеми у більшості випадків розглядається як шукана ємність С.

При змінному струмі крізь ізоляцію протікає струм І (рис. 2), який дорівнює геометричній сумі струмів: наскрізної провідності І_н, абсорбції І_аб., ємнісного (струм зміщення) І_Сзм, обумовленого геометричною ємністю С:

І = І_Сзм+ І_аб+ І_н

Д ля загального випадку, який відповідає векторній діаграмі на рис.2, потужність діелектричних втрат може бути визначена наступним чином:

Р = (І_н + І_аб”)U

д

Рис.1

е І_аб. – активна складова струму абсорбції.

Визначивши сумарний активний струм через реактивний, одержимо:

; (2)

де І_аб^’ – реактивна складова струму абсорбції. перетворюючи вираз (2), маємо

; (3)

де: U – напруга, - кругова частота ( ), С_х –ємність, - тангенс кута діелектричних втрат.

Оскільки практично не змінюються, то про втрати енергії в ізоляції судять за величиною тангенса кута діелектричних втрат, який має даний діелектрик.

Діелектрична проникність та діелектричні втрати якісно характеризують діелектрик з точки зору електроізоляційних властивостей та можливостей їх використання в різноманітних високовольтних апаратах.

Із формули (1) випливає, що практично для визначення необхідно визначити ємність та активний опір досліджуваного зразка матеріалу.

На практиці для визначення ємності і активного опору найчастіше використовують мостову схеме вимірювань. На рис.3 показана схема вимірювання. Рівновага моста наступає при умові рівності добутків повних опорів протилежних плечей. В комплексному вигляді:

Рис.3. Міст для вимірювання

ємності і . С_х – досліджуваний зразок, С₀-взірцевий конденсатор, R₁-магазин опорів, С₁-магазин ємностей, R₂-резистор

Підставимо:

;

;

;

;

Порівнюючи окремо дійсні і уявні частини, отримаємо:

де

При значенні виразом можна знехтувати. Тоді:

і , де - змінна ємність. Якщо , то можна проградуювати безпосередньо в .

Для вимірювання ємності конденсаторів і тангенса кута діелектричних втрат використовується міст змінного струму ЦЕ 5002. Зрівноваження мостової схеми здійснюється шляхом автоматичного порівняння двох магнітних потоків: потоку, що створюється колом зразкової міри ємності, і потоком, створюваним колом вимірюваної ємності. Відлік результатів вимірювання здійснюється по значеннях С і , які висвілюються на числових індикаторах.

Порядок виконання роботи.

1. Зібрати схему.

Р ис. 4. Схема вимірювання параметрів діелектрика мостом змінного струму ЦЕ 5002

1 – нижній електрод, 2 – верхній електрод, 3 – екрануючий електрод, 4 – досліджуваний діелектрик, 5 – міст змінного струму ЦЕ 5002.

2. Ввімкнути міст ЦЕ5002 і виміряти значення С і зразків матеріалів. Дані занести в таблицю.

№№ пп	Матеріал зразка	h, мм	d, мм	С, пФ	tg	C0, пФ		Р, мкВт

3. Провести розрахунки, визначити шукані величини.

С₀=8,85*10^-12d²/4h ; =C_x/C₀ ; P=U²C tg ;

де: =2f, f=1000Гц, U=40 В.

4. Провести аналіз результатів і зробити висновки.