ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4

вИЗНАЧЕННЯ ДІЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРОНИКНОСТІ ТА ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ВТРАТ У ПОЛІМЕРАХ

Мета роботи:

а) ознайомлення з одним із методом визначення діелектричних характеристик у полімерах;

б) визначення діелектричної проникності та коефіцієнта діелектричних втрат у полімерних системах.

Прилади та матеріали:

лабораторний стенд «Діелектрична проникність та електричні втрати у твердих діелектриках», полімерні зразки.

Короткі теоретичні відомості

До основних характеристик, які визначають діелектричні властивості полімерів відносять діелектричну проникність та діелектричні втрати, які характеризуються тангенсом кута діелектричних втрат.

Діелектрична проникність середовища (ε) – це безрозмірна фізична величина, що характеризує властивості ізолюючого (діелектричного) середовища. Вона пов’язана з ефектом поляризації діелектриків під дією електричного поля. Величина ε показує, в скільки разів сила взаємодії двох електричних зарядів в середовищі менша, ніж у вакуумі. Відносна діелектрична проникність повітря і більшості інших газів в нормальних умовах близька до одиниці (через їх низьку густину). Для більшості твердих або рідких полімерних діелектриків відносна діелектрична проникність лежить в діапазоні від 2 до 7 (для статичного поля). Діелектрична стала води в статичному полі достатньо висока – близько 80. Великі значення ε характерні для речовин з молекулами, що володіють великим електричним диполем. Відносна діелектрична проникність сегнетоелектриків складає десятки і сотні тисяч.

Діелектрична проникність речовини ε може бути визначена шляхом порівняння ємкості конденсатора з даним діелектриком (C_x) і ємкості того ж конденсатора у вакуумі (C_o):

(1)

Діелектрична проникність діелектриків є одним з основних параметрів при розробці електричних конденсаторів. Використання матеріалів з високою діелектричною проникністю дозволяють істотно понизити фізичні розміри конденсаторів.

Ємкість конденсаторів визначається:

(2)

де ε – діелектрична проникність речовини між обкладаннями, ε_о – діелектрична стала, S – площа обкладок конденсатора, d – відстань між обкладками.

Слід зазначити, що діелектрична проникність в значній мірі залежить від частоти електромагнітного поля. Це слід завжди враховувати, оскільки таблиці довідників зазвичай містять дані для статичного поля або малих частот до декількох одиниць кГц без вказівки даного факту. В той же час існують і оптичні методи отримання відносної діелектричної проникності по коефіцієнту заломлення за допомогою еліпсометрів і рефрактометрів. Отримане оптичним методом (частота 10¹⁴ Гц) значення значно відрізнятиметься від даних в таблицях.

Вплив будови полімеру на ε в основному визначається дипольним моментом окремої ланки макромолекули і числом полярних груп в одиниці об’єму. Діелектрична проникність також залежить від ступеня кристалічності і виду макроструктурних утворень.

Діелектричні втрати – це енергія, яка розсіюється, дисипує, в полімерному діелектрику при проходженні через нього електричного струму. Дисипація зовнішньої енергії супроводжується нагрівом полімера. Діелектричні втрати полімерів визначаються двома фізичними причинами: електричною провідністю (прохідний струм) і дипольно-релаксаційною поляризацією (струм сповільненої поляризації). Зрозуміло, що формувати значення діелектричних втрат будуть хімічна будова, фізична структура, фазовий, агрегатний і фізичний стан матеріалу. Оскільки в полімерах окремі кінетичні фрагменти макроланцюгів, їх відгалуження, бічні групи і окремі групи атомів здійснюють незалежні коливальні рухи, то і виникаючі діелектричні втрати можуть носити різний характер залежно від розміру кінетичних фрагментів і власної частоти їх коливальних рухів. Виникають дипольно-сегментальні втрати (ДСВ), обумовлені коливальними рухами фрагментів макроланцюгів і дипольно-групові втрати (ДГП), викликані зміною орієнтації полярних груп. Відмічені особливості є причиною варіативності діелектричних характеристик полімерів залежно від параметрів зовнішнього електромагнітного поля (напруженість, частота, сила струму) і температури.

Опис приладу

Лабораторний стенд призначений для освоєння методики визначення ємкості, діелектричної проникності, тангенса кута діелектричних втрат, коефіцієнта діелектричних втрат твердих діелектриків; вивчення цих характеристик діелектриків залежно від температури і частоти.

Будова і принцип роботи

Стенд складається з термостата, який здійснює установку, вимірювання, автоматичну підтримку температури зразка діелектрика і вимірювача ємності і тангенса кута діелектричних втрат зразка діелектрика. За результатами вимірювання і з урахуванням розмірів зразка обчислюється його діелектрична проникність і коефіцієнт діелектричних втрат.

Нагрів здійснюється усередині робочої камери термостата, куди поміщається приймальна касета з досліджуваним діелектричним зразком. Конструкція робочої камери термостата забезпечує однакову температуру у всьому робочому об’ємі і рівновагу між температурою зразка і середовища. Вимірювання, регулювання і підтримка заданого температурного режиму здійснюється за показами чутливого цифрового термодатчика, встановленого стаціонарно усередині робочої камери термостата. Попередня установка значення необхідної температури проводиться ручним регулятором з індикацією на цифровому 3-розрядному індикаторі, далі процес розігріву (або охолодження) до заданої температури, а також її підтримка здійснюється автоматично.

Контроль поточного температурного режиму щодо заданого здійснюється трьома світловими індикаторами: "Б" – більше; "Н" –норма; "М" – менше.

Передбачена звукова сигналізація при рівності поточної температури заданій.

Значення поточної температури виводиться на цифровий 3-розрядний індикатор натисненням кнопки «ИЗМЕР».

Об’єктами дослідження є плоскі круглі зразки твердих діелектриків або еластичні (резиноподібні) діелектрики з нажимными змінними електродами. Розташування електродів на зразку і їх розміри приведені на рис.1. Схема підключення електродів приведена на рис.2.

Рис. 1. Розміщення електродів та їх розміри.

Рис. 2. Схема підключення електродів.

Діелектрична проникність ε, коефіцієнт втрат k_п діелектрика з круглими електродами (рис.1) обчислюється по формулам, які можна отримати з (2):

(3)

(4)

ε_о – діелектрична стала, яка дорівнює 8,85·10^-12 Ф/м ; – тангенс кута діелектричних втрат діелектрика.

Вимірювач ємності і тангенса кута діелектричних втрат виконаний на основі мостової схеми з автоматичним урівноваженням. Всі функції управління вимірювальним процесом здійснює вбудована мікроЕОМ. Вибір частоти і вимірювання проводиться натисненням відповідних кнопок.

Конструкція

Конструктивно термостат і вимірювач виконані у вигляді настільних блоків. Призначення органів управління і приєднувальних кабелів приведене нижче:

Рис. 3. Схематичне зображення термостата.

Термостат (порядкові номери відповідають рис. 3):

1 – «ИЗМЕР» – кнопка виводу на цифровий індикатор значення поточної температури в робочій камері термостата.

2 – «СЕТЬ» – вимикач живлення (може бути розташований на задній панелі).

3 – світлодіод «Б» – індикація перевищення температури в робочій камері термостата щодо заданої.

4 – світлодіод «Н» – індикація рівності температури в робочій камері термостата і заданою.

5 – світлодіод «М» – індикація зниженої температури в робочій камері термостата щодо заданої.

6 – цифровий 3х-розрядний індикатор температури.

7 – «УСТАНОВКА t» – кнопка контролю фактичної температури зразка.

8 – приймальна касета для установки зразка в робочій камері.

9 – вихід до вимірника.

10 – затискачі для закріплення приймальної касети в робочій камері термостата.

11 – вилка для підключення мережевого шнура живлення.

12 – мережеві запобіжники.

13 – клема захисного заземлення.

14 – жалюзі приточної вентиляції.

Вимірювач ємності і тангенса кута діелектричних втрат – LCR-метр (41R).

Приймальна касета термостата виконана у вигляді знімного вузла і призначена для підключення електродів діелектричного зразка до вимірювального ланцюга і установки його в робочій камері термостата. Електричний контакт з електродами зразка здійснюється за допомогою притискних гвинтів. Електрична схема касети приведена на рис. 2, вид касети приведений на рис. 5.

	1 – платформа; 2 – притискні гвинти; 3 – планка; 4 – електроди; 5 – контакт ХТ1 (рис. 2) 6 – контакт ХТ2 (рис. 2)
Рис. 5. Схематичне зображення приймальної касети термостата.

Заходи безпеки

!!! Перед початком роботи із стендом необхідно переконатися, що термостат і вимірник заземлені. Для цього на задніх панелях передбачені клеми захисного заземлення.

!!! Небезпечним для життя в термостаті і вимірнику є напруга живлячої мережі 220 В.

!!! При тривалій роботі термостата в режимі нагріву понад 100 ^оС забороняється дотикатися до жалюзі витяжної вентиляції розташованої на верхній кришці задля уникнення опіків. Час неперервної роботи термостата не повинен перевищувати 2 год. після чого його необхідно вимкнути не менше ніж на 30 хв.

Методика виконання роботи

1. Встановити полімерний зразок. Для цьго:

– Оцінити стан поверхні зразка на наявність вологи, забруднення, окислення електродів і при необхідності очистити їх.

– Витягнути приймальну касету з робочої камери термостата заздалегідь звільнивши затиски (10) (рис. 3).

2. Помістити полімерний зразок між двома електродами, як показано на рис. 1. При використанні рідкого полімера, між електродими додатково покласти паперову або слюдяну прокладку.

3. Розташувати електроди на підставці (1) (рис. 4) касети. Для цого заздалегідь треба викрутити притискні гвинти (2) (рис. 5).

4. Вкрутити притискні гвинти (2) в планку (3) (рис. 4), вибравши необхідний отвір в планці так, щоб гвинти (2) забезпечували притиск і електричний контакт з верхнім електродом.

5. Вставити приймальну касету в робочу камеру термостата і закріпити її затискачами (10) (рис. 3).

6. З’єднати вихідний шнур касети термостата з гніздом «ВХОД» вимірювача.

7. Перевести регулятор «УСТАНОВКА t» термостата в крайнє положення проти годинникової стрілки.

8. Включити термостат і вимірювач в мережу 220 В, 50 Гц, включити вмикачі живлення «СЕТЬ».

9. Витримати термостат і вимірнювач включеними протягом 10 хв.

10. Провести вимірювання ємності і тангенса кута діелектричних втрат полімера за кімнатної температури (початкове значення температури усередині робочої камери термостата), для цього:

– Натиснути кнопку «ИЗМЕР» термостата і виміряти значення температури по цифровому індикатору.

– Встановити необхідну частоту вимірювальної напруги на вимірювачі ємності.

– Вимірювання ємності і тангенса диелектричних втрат проводити не менше 3-х разів.

11. Маніпулюючи кнопками «+» і «-» «УСТАНОВКА t» виставити задану виклдачем температуру нагріву термостата на цифровому індикаторі (підвищувати температуру кроками через 10 ^оС).

12. Контролювати нагрів термостата до заданої температури за станом світлодіодних індикаторів: «М» – менше; «Н» – норма; «Б» – більше. При вмиканні світлодіода «Н» необхідно зробити витримку 2-3 хв для забезпечення сталого температурного режиму усередині робочої камери термостата. Після настання сталого температурного режиму провести вимірювання за п. 10.

13. За виміряним значенням ємності і тангенса кута діелектричних втрат та з урахуванням геометричних розмірів досліджуваного полімерного зразка обчислити значення діелектричної проникності і коефіцієнта діелектричних втрат для кожної температури за формулами (3) та (4) відповідно.

14. Побудувати температурні залежності діелектричної проникності ε(Т) та коефіцієнта діелектричних втрат k_п(Т).