1.4 Опрацювання результатів вимірювань

1. Визначити струми I_V та I_S за формулами

. (1.5)

2. Визначити R_V та R_S за формулою (1.4).

3. Визначити ρ_V та ρ_S за формулами (1.2), (1.3).

4. Результати розрахунків записати у таблиці 1.2, 1.3.

5. Побудувати графіки залежностей ρ_V(U), ρ_S(U) для усіх зразків.

1.5 Контрольні запитання

1. Чому опір діелектриків визначають при постійній напрузі?

2. Які складові має струм, що проходить через діелектрик?

3. Чому в твердих діелектриках розрізняють об’ємний та поверх­невий електричні опори?

4. Якими методами вимірюють опір діелектрика?

5. В яких одиницях вимірюють питомий об’ємний та питомий поверхневий електричні опори та за якими формулами їх можна розрахувати?

6. Як і чому змінюються величини питомих опорів при зміні вологості та температури зразка діелектрика?

Лабораторна робота № 2 дослідження поляризації діелектриків та діелектричних втрат при високих частотах резонансним методом

Мета роботи

Дослідити основні види поляризації та втрати в діелектриках. Виміряти діелектричну проникність та тангенс кута діелектричних втрат резонансним методом. Дослідити вплив частоти електричного поля на діелектричну проникність та втрати в діелектриках.

2.1 Основні теоретичні відомості

Поляризація – це явище обмеженого зміщення зв’язаних зарядів під дією електричного поля. Суть поляризації діелектриків полягає в то­му, що частинки діелектрика (атоми, молекули, іони) набувають індукованого електричного моменту. Види поляризації поділяються на дві групи: пружні та непружні (релаксаційні). Пружні відбуваються практично миттєво і без втрат енергії, непружні – значно повільніше і з втратами. До перших належать електронна та іонна поляризації, до других – дипольна, іонно-релаксаційна, спонтанна та інші.

Здатність діелектриків поляризуватися оцінюють відносною діелектричною проникністю

, (2.1)

де – ємність конденсатора, пластини якого знаходяться в вакуумі;

– ємність конденсатора, між пластинами якого знаходиться діелектрик.

Діелектрична проникність пов'язана з властивостями атомів, молекул або іонів, що входять в склад діелектрика, а також з його будовою. Ємність конденсатора з діелектриком і накопичений в ньому заряд зумовлені різними механізмами поляризації. В одних діелектриках одночасно можуть мати місце різні види поляризації, але є діелектрики, в яких спостерігається тільки електронна поляризація.

Діелектрична проникність залежить від частоти зміни електричного поля, температури, вологості, а для певної групи діелектриків залежить також від напруженості електричного поля.

Діелектрична проникність визначається дослідним методом, найпростіший з яких – метод вимірювання ємності конденсатора з діелектриком. Для плоского конденсатора діелектрична проникність може бути визначена із співвідношення

, (2.2)

де – ємність конденсатора з діелектриком, Ф;

– площа пластин, м²;

– товщина діелектрика між пластинами, м;

≈8,85·10^-12 Ф/м – електрична стала.

При дії на діелектрик електричного поля частина енергії поля перетворюється в тепло і викликає нагрів діелектрика. Електрична енергія, що поглинається діелектриком в одиницю часу, називається діелектричними втратами. При змінному електричному полі діелектричні втрати характеризуються тангенсом кута діелектричних втрат .

В конденсаторі без втрат вектор струму випереджає вектор напруги на 90°, а у випадку наявності розсіювання енергії кут між струмом і напругою відрізняється від прямого на кут δ. На рисунку 2.1,а наведена паралельна схема заміщення діелектрика з втратами, а на рисунку 2.1,б – векторна діаграма.

Рисунок 2.1 – Схема заміщення (а) та векторна діаграма напруг та струмів (б) реального діелектрика

Кут , що доповнює до 90° куг фазового зсуву  між напругою і струмом в діелектрику, називається кутом діелектричних втрат. Із рисунку 2.1,б видно, що тангенс кута діелектричних втрат

, (2.3)

тобто дорівнює відношенню активної складової струму до реактивної складової . Енергія, що розсіюється в діелектрику, визначається виразом

, (2.4)

де – прикладена до діелектрика напруга, В;

– кутова частота, рад/с;

– ємність конденсатора з діелектриком, Ф;

– тангенс кута діелектричних втрат.

Діелектричні втрати при постійній напрузі зумовлюються тільки електропровідністю матеріалу. При змінній напрузі виникають додаткові втрати, зумовлені різними видами релаксаційної поляризації. Однією з основних причин діелектричних втрат є повільне встановлення поляризації, що пов'язане з будовою речовин. При достатньо високих напруженостях електричного поля можуть виникнути діелектричні втрати, зумовлені процесом іонізації газових включень всередині діелектрика.

Розрізняють діелектричні втрати, зумовлені електропровідністю і різними механізмами поляризації: дипольно-релаксаційні; іонно-релаксаційні, міграційні та іонізаційні.