Лабораторные работы2 / лаб5 / Лабораторная работа № 5

1. Цель работы

1. Ознакомиться с методами измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

2. Экспериментально изучить температурную зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

2. Теоретическая часть

Под действием электрического поля в диэлектрике развиваются два основных процесса: поляризация и сквозная электропроводность. Развитие этих процессов может привести к рассеянию энергии электрического поля в диэлектрике. Так, под действием электрического поля свободные носители заряда наби­рают кинетическую энергию и, сталкиваясь с молекулами вещества, передают им эту энергию. Таким образом, энергия электрического поля трансформируется в тепловую энергию материала. Кроме того, в случае, когда структурные единицы вещества (молекулы) полярны, внешнее электрическое поле совершает работу по повороту диполей по полю, и, как следствие, энергия поля вновь рассеивается в материале.

В идеальном диэлектрике сдвиг фаз между напряжением и реактивной составляющей тока равен 90 градусам. В реальном диэлектрике появляется активная составляющая тока. Зная величину напряжения, круговую частоту и емкость, можно определить реактивную составляющую тока:

Ip=U×ω×C (1)

Тогда активная составляющая тока определится как:

Ia=Ip×tgδ (2)

Рассеиваемую мощность можно определить следующим образом:

P=U×Ia= U× ω ×C×tgδ (3)

Векторная диаграмма токов и напряжений в реальном диэлектрике

Таким образом, tgδ можно использовать в качестве меры потерь энергии поля в диэлектрике. Рассмотрим зависимости tgδ от температуры в полярных и неполярных диэлектриках.

С увеличением температуры концентрация носителей заряда в диэлектрике повышается, поскольку увеличивается вероятность выхода иона из потенциальной ямы. Поэтому вероятность столкновения носителя заряда со структурной единицей вещества также растет. Следовательно, при увеличении температуры потери на сквозную электропроводность возрастают. В неполярных диэлектриках реализуется упругая электронная или уп­ругая ионная поляризация. Как известно, при развитии упругих процессов потерь энергии нет, поэтому в неполярных диэлектриках основной вид потерь - потери за счет сквозной электропроводности.

В полярных диэлектриках, помимо потерь на сквозную электропроводность, появляются потери на поляризацию, то есть внешнее электрическое поле совершает работу по повороту диполей. Эту работу можно оценить как произведение момента сил (М) на угол поворота (ψ). При увеличении температуры подвиж­ность диполей растет, и момент сил, необходимый для поворота на один и тот же угол, снижается. В то же время, рост подвижности диполей при повышении температуры ведет к увеличению угла поворота под действием постоянного момента сил. Таким образом, работа, совершаемая электрическим полем на поворот диполей, при росте температуры вначале увеличивается, а затем уменьшается.

Помимо потерь энергии поля на поляризацию, в полярных диэлектриках существуют потери на сквозную электропроводность. Важно отметить, что хотя качественно процесс электропроводности в полярных диэлектриках не отличается от процесса электропроводности в неполярных диэлектриках, количественные различия имеются. Так, в полярных диэлектриках концентрация но­сителей заряда, как правило, повышена, поскольку из-за полярности молекул основного материала очистка его от примесей затруднена.

Зависимость угла поворота диполей (ψ), момента сил, необходимых для поворота, (М) и работы по повороту диполя электрическим полем (А) от температуры

Изменение температуры оказывает существенное влияние на диэлектрическую проницаемость материала. Это связано с тем, что при изменении температуры меняется поляризация (Р), которую определяют как отношение векторной суммы дипольных моментов к объему материала. В материалах с неполярными молекулами и ковалентной связью атомов внутри молекул поляризация с ростом температуры снижается, поскольку единственным механизмом поляризации является упругая электронная поляризация. С ростом температуры объём, занимаемый материалом, растет, а величина дипольных моментов не меняется. Соответственно, величина поляризации уменьшается. В веществах с ионной связью увеличение температуры ведет к увеличению межатомных расстояний, и внешнему полю легче сместить ионы относительно друг друга. Иначе говоря, с ростом температуры увеличивается дипольный момент и растет поляризация. В материалах с полярны­ми молекулами увеличение температуры ведет к росту кинетической энергии молекул и увеличению их подвижности. Поэтому ориентация диполей по полю облегчается, что ведет к росту диэлектрической поляризации. С другой стороны, рост температуры вызывает активизацию броуновского движения, в силу чего диполи разориентируются. Поэтому зависимость диэлектрической поляризации от температуры имеет куполообразный вид.

Таблица результатов:

	Опыт 1			Опыт 2
T,°C	Cx,нФ	tg φ	ε	Cx,нФ	tg φ	ε
30	87,9	0,07	46557,20	104,6	0,066	55402,54
40	101,5	0,06	53760,59	106,6	0,052	56461,86
50	93	0,04	49258,47	101,2	0,045	53601,69
60	84	0,041	44491,53	89,92	0,04	47627,12
70	70	0,042	37076,27	79,15	0,038	41922,67
80	61	0,043	32309,32	68,4	0,041	36228,81
90	54,7	0,046	28972,46	60,11	0,043	31837,92
100	48,6	0,049	25741,53	53,8	0,048	28495,76
110	45	0,054	23834,75	47,2	0,055	25000,00
120	41,74	0,056	22108,05	42,7	0,06	22616,53
130	37,9	0,061	20074,15	37,7	0,063	19968,22
140	32,4	0,066	17161,02	32,6	0,068	17266,95
150	28	0,071	14830,51	29,2	0,074	15466,10

Графики

Вывод: Диэлектрическая проницаемость веществ зависит от температуры и частоты электромагнитного поля. При низкой температуре, когда подвижность мо­лекул и их отдельных частей мала, а силы молекулярного взаи­модействия велики, диполи не ориентируются под действием по­ля и величина диэлектрической проницаемости остается невысокой. С возрастанием температуры увеличивается подвижность частиц, уменьшается энергия взаимодействия между ними и облегчается их ориентация под действием внешнего по­ля — возрастает дипольная поляризация и диэлектрическая про­ницаемость ε. Этот процесс продолжается до неко­торой температуры, лежащей в области интенсивного размягче­ния диэлектрика. При дальнейшем нагреве кинетическая энергия теплового движения частиц настолько возрастает, что разрушает ориентацию, вызванную внешним полем. Проницаемость ε начинает уменьшаться.

Тангенс угла потерь сильно изменяется с температу­рой и частотой, достигая максимума при температу­рах и частотах, при которых получается наибольший сдвиг фаз между кривой напряженностью поля и состоянием поляризации и когда степень поляризации достигает максимума. Часто это имеет место вблизи температур размягчения материалов.

Министерство высшего образования РФ Уфимский государственный авиационный технический университет

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ПОТЕРЬ ОТ

ТЕМПЕРАТУРЫ

Выполнил студент 1 курса

Факультета АП

Проверил: Шарипов И. З.

Уфа 2003