Контрольные вопросы:

1. Какие показатели оптических свойств волокон и нитей вы знаете?

2. Как характеризуется диапазон электромагнитного излучения света?

3. Цвет волокон и нитей.

4. Как определяют цвет волокон и нитей?

5. Фотоколориметрический метод анализа.

6. Какие характеристики оптических свойств можно определять с помощью колороиметра?

7. Что такое коэффициент пропускания?

8. Методы оценки оптических свойств волокон и нитей?

Лабораторная работа № 17

Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла

потерь нитей (волокон)

Цель работы - изучение установки и методики исследования диэлектрических характеристик нитей (волокон).

17.1. Краткие теоретические сведения.

Диэлектрические свойства текстльных материалов характеризуют их способность реагировать на внешнее электрическое поле. В зависимости от температуры, частоты и амплитуды напряженности внешнего электрического поля характеристики диэлектрических свойств материалов разной молекулярной и надмолекулярной структуры изменяются по-разному. Поэтому определение диэлектрических характеристик текстильных материалов в широком интервале температур и частот внешнего электрического поля дает возможность изучить особенности молекулярного строения веществ, составляющих текстильные материалы, молекулярное взаимодействие и релаксационные явления в них ( рис. 17.1, 17.2).

V R

С R I C

V

I V I V ωC

I ωR

δ δ V

IR

φ φ V/R

δ δ

а б

Рис. 17.1. Последовательная (а) и параллельная (б) эквивалентные схемы и векторные диаграммы конденсора с потерями.

а б

Рис. 17.2. Кривые частотных (а) и температурных (б) зависимостей диэлектрических характеристик.

Одной из основных характеристик электрических свойств материала является его диэлектрическая проницаемость, которая обычно характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью (диэлектрической постоянной) ε:

ε = С / С₀

где С - емкость конденсатора, заполненного исследуемым материалом;

С₀ - емкость конденсатора с воздушным диэлектриком.

В случае идеального конденсатора (без потерь) в цепи переменного тока между током и напряжением имеет место сдвиг по фазе на 90⁰. В реальном диэлектрике, помещенном в электрическом поле, возникают потери энергии, превращающейся в тепловую. Вследствие этого уменьшается угол сдига фаз между током и напряжением.

Характеристикой потерь электрческой мощности переменного тока в диэлектрике является тангенс угла потерь. Углом потерь называется угол δ, дополняющий угол между током и напряжением в цепи конденсатора до 90⁰.

На рис. 17.1 приведены эквивалентные схемы и векторные диаграммы конденсатора с потерями, т.е. конденсатора идеальной емкости, последовательно или параллельно соединенного с активным сопротивлением, обусловливающего возникновение эквивалентных потерь. При этом для рис. 17.1, а

tg δ = ωRС

для рис. 17.1., б

tg δ = 1/ (ωRС)

где δ - угол потерь

ω - угловая частота тока;

R - активное сопротивление;

С - емкость конденсатора.

δ = 90⁰ - φ

где φ - угол сдвига между током и напряжением для реального конденсатора.

Если волокна, содержащие полярные группы, поместить в электрическое поле, то наблюдается ориентация сегментов (звеньев) макромолекул и более мелких кинетических единиц, что обеспечивает определение диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь. В определенных интервалах температур и частот кривые зависимости tgδ(f)_т и tgδ(Т)_f проходят через максимум, а на кривых ε^/ (f)_т и ε^/ (Т)_f появляется перегиб (рис. 17.2).

На величину диэлектрических потерь оказывают влияние многие факторы: химическое строение текстильных волокон, степень их кристаллизации, ориентация надмолекулярной структуры и др. Все это необходимо учитывать при анализе результатов исследования.

Температурно-частотные исследования диэлектрических параметров текстильных волокон проводятся на специальной уствновке, блок-схема которой приведена на рис. 17.3.

Генератор частоты представляет собой низкочастотный генератор сигналов 3Г - 56/1 с диапазоном частот от 20 Гц до 200 Гц. Он предназначен для подачи синусоидального напряжения на измерительный мост. В плечо измерительного моста включен конденсатор С_х, в котором диэлектриком служит исследуемый материал (текстильные нити или волокна).

Низкочастотный генератор сигналов ЗГ - 56/1		Мост для измерения емкости ВМ - 4006		Индикатор нуля Ф - 550
Термолегулятор		Термостат с измерительной ячейкой

Рис. 17.3. Блок-схема установки для диэлектрических исследований.

Точный мост Шеринга (ВМ - 4006) предназначен для измерения емкости в широких пределах. Коэффициент потерь tgδ можно отсчитывать в пределах 0 - 10^-1. Принципиальная схема моста приведена на рис. 17.4.

Измерительную ячейку с исследуемым веществом (изменяемая емкость С_х) включают в плечо (аб) моста. Переменное напряжение с заданной частотой подается в одну из диагоналей моста (бг), а в другую диагональ (ав) включен индикатор нуля.

При уравновешивании моста переменными сопротивлением R₁ и емкостью С₂ достигают равенства нулю тока в диагонали (ав); на экране осциллографа индикатора нуля появляется прямая линия. Из условия С_хR₁ = C₁R₂ определяют:

неизвестную емкость:

С_х = С₁R₂ / R₁

и тангенс угла потерь:

tg δ = 1 / (ω R₁ C₂)

б

С_х С₁

а в

R₂

R ₁

С₂

г

Рис. 17.4. Принципиальная схема моста Шеринга (питание переменным напряжением с частотой, на которой проводятся измерения).

Компенсация tgδ осуществляется с помощью конденсатора переменной емкости С₂. Более высокие значения tgδ компенсируются с помощью сопротивлений, включенных последовательно с эталонным конденсатором.

Индикатор нуля Ф - 550 представляет собой высокочувствительный электронный избирательный усилитель переменного тока, работающий в диапазоне 20 - 10⁵ Гц. Прибор применяется в качестве указателя равновесия в мостовых схемах (включен в диагональ моста рис. 17.4).

В качестве индикатора равновесия моста в приборе используется электронно-лучевая трубка с разверткой по горизонтали (ось Х) от генератора звукового сигнала 3Г - 56/1. На вход индикатора нуля (отклонение луча по вертикали - ось У) подается напряжение разбаланса моста. Когда мост сбалансирован, входное напряжение по оси У равно 0 и на экране осциллографа видна горизонтальная линия.

Термостат и регулятор температуры обеспечивают термостатирование измертельной ячейки в интервале температур 35 – 300 ⁰С с точностью 0,4 ⁰С. Заданная температура выставляется поворотом барабана реохорда на передней панели прибора.

Измерительная ячейка представляет собой два круглых измерительных электрода, служащих обкладками плоского конденсатора. Нижний электрод является базовым, а верхний - съемный, подвижный, что позволяет изменять площадь обкладок конденсатора и расстояния между ними. Между электродами располагается исследуемый материал - параллелизованная система текстильных волокон. Расстояние между электродами, т.е. толщина диэлектрика, определяется по шкале микрометра.