Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное бюджетное учреждение

Высшего профессионального образования
«Омский Государственный Университет Путей Сообщения»

(ОмГУПС)

Кафедра: Радиотехника и управляющие системы

Дисциплина: Материаловедение

"Исследование диэлектрической проницаемости

и тангенса угла электрических потерь слоистых диэлектриков"

Отчёт по лабораторной работе №1

Выполнил:

студент гр. 20г

Мандрыгин С.А.

Руководитель:

Царёва Л.А.

Омск 2012

Цель работы:

изучение влияния температуры на величину диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, освоение методики их измерения.

1.Теоретическая часть

При воздействии на диэлектрические материалы электрического поля возникает явление поляризации, т. е. создание внутреннего поля, которое зависит от структуры материала. Мерой поляризуемости является относительная диэлектрическая проницаемость.

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами может рассматриваться как конденсатор, обладающий емкостью С. Соответственно, его заряд при подключении к напряжению U будет равен: . Заряд диэлектрика с электродами складывается из двух составляющих: , где – заряд на электродах в вакууме, а – заряд, обусловленный поляризацией диэлектрика.

Относительная диэлектрическая проницаемость определяется отношением заряда , полученного при некотором напряжении на конденсаторе с данным диэлектриком, к заряду : . Из этого выражения следует, что для любого вещества e > 1.

Для материалов разной структуры e принимает такие значения:

· для газообразных и неполярных твердых диэлектриков ;

· для полярных – ;

· для диэлектриков доменной структуры - сотни тысяч.

Вычисление тока и напряжения:

, - параллельная схема

, - последовательная схема

Рисунок 1 – Схемы замещения конденсатора

а – параллельная; б – последовательная

Диэлектрическими потерями называют часть энергии электрического поля, рассеиваемую в диэлектрике в единицу времени в виде тепла. Количественно потери оцениваются мощностью или тангенсом угла диэлектрических потерь. Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи, причем, чем больше потери энергии, тем больше активная составляющая тока I_а и угол диэлектрических потерь. Соответственно, чем меньше , тем диэлектрик считается качественнее. Частотные зависимости и определяются особенностями их поляризации. На зависимость от частоты оказывает влияние ток сквозной проводимости.

У диэлектриков с электронной поляризацией практически не зависит от частоты, а зависит лишь от тока сквозной проводимости и с увеличением частоты уменьшается из-за роста реактивного тока.

У диэлектриков с дипольной поляризацией на частотах, при которых поляризация осуществляется полностью, значение постоянно. При превышении некоторого граничного значения частоты, соответствующего времени установления поляризации, диполи не успевают следовать за изменениями внешнего поля, и значение резко падает. Этим объясняется наличие ярко выраженного максимума в частотной зависимости .

2.Описание исследуемых материалов:

Текстоли́т — электроизоляционный конструкционный материал, применяемый для производства подшипников скольжения, шестерён и других деталей, а также в электро- и радиотехнике.

Представляет собой слоистый пластик на основе ткани из волокон и полимерного связующего вещества (например, бакелита, полиэфирной смолы, эпоксидной смолы). Текстолит на основестеклоткани называется стеклотекстолитом или стеклопластиком. Стеклотекстолит превосходит текстолит по ряду свойств: термостойкость от 140 до 180 °C против 105—125 °C у текстолита; удельное сопротивление — 10¹¹ Ом·м против 10⁷ Ом·м; тангенс угла потерь — 0,02 против 0,07. Листовой стеклотекстолит, покрытый медной фольгой, служит основой для изготовления заготовок печатных плат.

3, Практическая часть

Рис. 1.2. Блок-схема измерения емкости и
тангенса угла диэлектрических потерь

Рис. 1.3. Приемная кассета термостата:1 – основание (электрод Н); 2 -прижимные винты; 3 – планка; 4 – диэлектрик; 5 – верхний электрод

Таблица 1 – Результаты расчетов и измерений

Толщина образца h, м	0.0015
Диаметр круглого электрода d, м	0.095
Температура t,
Емкость C, пФ	218,2	218,5	218,8	219,2	219,4	219,7		220,3	220,7	220,8	221,3
Диэлектрическая проницаемость	5,21	5,22	5,225	5,23	5,24	5,25	5,26	5,267	5,277	5,279	5,29
Тангенс угла диэлектрических потерь ,

где e ₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м;

С_х – емкость образца, Ф;

S – площадь верхнего электрода, м²;

h – толщина образца, м.

Рисунок 1.3 – График зависимости D от температуры.

Рисунок 1.4 – График зависимости от температуры.

Вывод:

С усилением влияния (увеличением) температуры на диэлектрик увеличивается диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь. Чем качественнее диэлектрик, тем меньше тангенс угла.

Контрольные вопросы:

1) Какие электрические параметры диэлектрика определяют частотный диапазон его применения, используемый при переменном токе низкой частоты?

Частотные зависимости e и диэлектриков определяется, в основном преобладающем типом поляризации. На низких частотах можно использовать диэлектрики с низкой скоростью установления. Время установления, у разных диэлектриков с разными типами поляризации различно. Это могут быть материалы с ионно-релаксационной, дипольно-релаксационной поляризацией. На высоких частотах эти материалы теряют свои диэлектрические свойства.

2) Как объяснить с физической точки зрения потери электрической энергии в диэлектрике?

Все потери в диэлектрике делятся на:

Потери сквозной электропроводности (нагрев диэлектрика токами сквозной проводимости);

Поляризационные (время затраченное на переориентацию диполей, дипольных молекул в вязкой среде);

Потери связанные с неоднородностью структуры диэлектрика;

Ионизационные потери (для диэлектриков в газообразном состоянии).

3) Какие факторы влияют на значения tg d и e диэлектриков?

На величину e и оказывают влияние многие факторы: тип поляризации данного диэлектрика, качество диэлектрика (чем оно выше, тем меньше ), температура диэлектрика, частота приложенного напряжения.