Лабораторная работа №4.1
Исследование диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектриков
Цель работы: измерение диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости материалов.
Приборы и принадлежности: лабораторный стенд по исследованию параметров диэлектрических радиоматериалов, плоский разборный конденсатор, микровольтметр, милливольтметр, частотомер, образцы диэлектриков, набор конденсаторов.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящего в электрическом поле [10]. Диэлектрические потери по их физической природе и особенностям [3,10] подразделяют на четыре основных вида:
· потери на электропроводность,
· релаксационные потери,
· ионизационные потери,
· резонансные потери.
Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную.
Релаксационные потери обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Они характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации, и проявляются в области достаточно высоких частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля.
Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии.
Резонансные потери в некоторых газах при строго определенной частоте выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери возможны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой колебаний частиц твердого вещества.
В инженерной практике чаще всего для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла. Углом диэлектрических потерь d называют угол, дополняющий до 900 угол сдвига фаз j между током и напряжением в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол 900, при этом угол d = 0. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь d и его функция tgd.
Схема, эквивалентная конденсатору с реальным диэлектриком, обладающим потерями, представлена на рис. 4.1.1. Эта схема выбирается с таким расчетом, чтобы активная мощность, расходуемая в данной схеме, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а ток был бы сдвинут относительно напряжения на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе. Различают параллельную схему замещения, когда конденсатор с потерями заменяют идеальным конденсатором с параллельно включенным 
активным сопротивлением (рис. 4.1.1, а), и последовательную схему замещения, когда конденсатор с потерями заменяют идеальным конденсатором с последовательно включенным сопротивлением.
Для параллельной схемы из векторной диаграммы:
tgd = Ia/Ic = 1/(wCpR), (4.1.1)
Pа = UIа = U2wCptgd, (4.1.2)
для последовательной схемы:
tgd = Ua/Uc = wCsr, (4.1.3)
Ра = 
, (4.1.4)
Сp = 
, R = r(1+ 
). (4.1.5)
Диэлектрическая проницаемость
Одной из основных характеристик диэлектрика является диэлектрическая проницаемость ε [3,10], так как она количественно определяет свойство диэлектриков поляризоваться и образовывать электрическую емкость. Для определения диэлектрической проницаемости веществ в данной лабораторной работе используется 
плоский разборный конденсатор (рис. 4.1.2). Конденсатор содержит верхнюю съемную пластину 2, нижнюю пластину 5 и диэлектрик 4. Окантовка 1 нижней пластины обеспечивает калиброванный зазор d0 между пластинами. Конденсатор смонтирован на основании 3. Если на нижнюю пластину положен диэлектрик толщиной d>d0, то расстояние между пластинами конденсатора равно толщине слоя диэлектрика.
Емкость конденсатора определяют с помощью схемы, представленной на рис. 4.1.3. Вольтметр V1 служит для измерения напряжения на выходе генератора синусоидального сигнала. Вольтметр V2 измеряет падение напряжения на эталонном сопротивление R0.
Емкость конденсатора вычисляется по формуле
, (4.1.6)
где f - частота синусоидального сигнала на выходе генератора, UR0 - напряжение на эталонном сопротивлении, UC - напряжение на конденсаторе:
, (4.1.7)
где U1 - выходное напряжение генератора.
Емкость конденсатора можно вычислить, зная его геометрические размеры:
, (4.1.8)
где ε0 - диэлектрическая постоянная, S - площадь обкладок конденсатора. Если в качестве диэлектрика используется воздушное пространство, то ε = 1.
Диэлектрическую проницаемость исследуемого материала ε можно определить, сравнивая емкость плоского конденсатора с исследуемым диэлектриком и емкость того же конденсатора, но уже с воздушным диэлектриком:
, (4.1.9)
где С - емкость конденсатора с исследуемым диэлектриком, СВ - емкость конденсатора с воздушным диэлектриком. Для случая, когда 
толщина диэлектрика меньше расстояния между пластинами, принимают d = d0.
В данной лабораторной работе для измерения тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрика tgδ используется измеритель добротности Е4-11 (рис. 4.1.4).
Емкость и добротность реальных конденсаторов с помощью прибора Е4-11 определяют по формулам:
, 
, (4.1.10)
при условии, что СХ < 425 пФ. При достаточно больших емкостях исследуемых конденсаторов (СХ > 425 пФ) используются формулы
, 
(4.1.11)