ИНЖЕНЕРНАЯ ШКОЛА
Отчет выполнения лабораторной работы по Материаловедению №3: «Частотная зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в твёрдых диэлектриках».
| Выполнили: студенты гр. Б3205а |
| Приняла: Винаковская Н. Г. |
г. Владивосток
Цель работы: исследование зависимости ε и tgб твёрдого диэлектрика от частоты в диапазоне 15-250 МГц и установление причин, вызывающих изменение этих характеристик.
Краткие теоретические сведения:
Для исследования частотной зависимости ε и tgб в твёрдых диэлектриках используется измеритель добротности типа Е4-5А, который позволяет определить ёмкость испытуемого образца и его добротность Q. Электроды выполнены согласно ГОСТ 6433-65 и табл. 1 (лабораторная работа 1). Электрическая схема измерителя добротности представлена на рис.1.
Измеритель построен по принципу резонансных схем с соединением образцовой индуктивности LК, переменного воздушного конденсатора С и исследуемого образца Rх, Сх , которые являются нагрузкой генератора Г высокой частоты. Ламповый вольтметр Q имеет шкалу, проградуированную в единицах добротности. На рис. 1 Rх и Сх – эквивалентная схема образцовой катушки, выдаваемая студенту для работы и присоединяемая к клеммам измерителя Е4-5А; С- эталонный конденсатор переменной ёмкости.
Рис. 1. Электрическая схема измерителя добротности типа Е4-5А
Зависимость диэлектрической проницаемости и угла потерь показана на рис.2.
Рис. 2. Зависимость ε и tgб от частоты
Диэлектрическая проницаемость при росте при частоте может оставаться постоянной в тех случаях, когда выполняется условия релаксации и идёт накопление заряда внутри диэлектрика под действием сил электрического поля. При дальнейшем повышении частоты дипольные молекулы поворачиваются на меньший угол θ до того момента, когда релаксационная поляризация будет отсутствовать, а диэлектрическая проницаемость будет определяться только мгновенными видами поляризации и ε снижается или остаётся очень низкой. Известно, что релаксационные виды поляризации определяются поворотом и ориентацией зарядов (электронов и ионов) по направлению сил электрического поля и устанавливаются за время от 10-12 до 102 с. Ориентировочное время релаксации может быть оценено через неравенство τ< 
<f, где f- частота, Гц.
Диэлектрические потери и tgб с ростом частоты возрастают в тех материалах, где существует несколько причин, вызывающих диэлектрические потери: ионизация газовых включений, поляризация, собственная электропроводность, неоднородность структуры. В однородных диэлектриках или чистых и однокомпозиционных диэлектриках диэлектрические потери вызываются только изменением электропроводности и мгновенными видами поляризации, поэтому tgб очень мал и снижается с увеличением частоты.
В данной работе переключателем диапазона частот и плавной настройкой частоты в генераторе Г настраивают измерительный контур в резонанс токов по максимуму добротности лампового вольтметра Q:
Для параллельной схемы замещения диэлектрика
tgб 
, (1)
а добротность определится по зависимости (2):
Q 
= 
. (2)
Путём измерения ёмкости конденсатора С получают резонанс токов в контуре LK – С без испытуемого образца Cx и записывают значения C1 и Q1; затем к резонансному контуру подключают на зажимы справа испытуемый образец и снова устанавливают резонанс токов и фиксируют значения C2 и Q2. Искомые величины определяются по формулам
Cх= C2- C1; tgб= 
= 
, (3)
Диэлектрическая проницаемость рассчитывается по формуле
ε=0,144 
или ε= 
(4)
где h- толщина образца, м; D- диаметр измерительного электрода, м; S- площадь обкладки конденсатора образца, м2.
Ёмкость эталонного конденсатора от 10 до 100пФ. Диапазон измеряемой добротности от 5 до 1200. При измерениях конденсаторов ёмкостью до 90 пФ их включают параллельно катушке, при больших ёмкостях- последовательно с катушкой.
Порядок выполнения работы:
1. Ручку «Установка К» поставить в крайнее левое положение. Включить тумблер «Сеть», при этом должна загореться индикаторная лампочка; прогреть прибор в течение 15 мин
2. Присоединить образцовую катушку нужного поддиапазона к клеммам LK на крышке прибора. Установить ручкой «Нуль Q» по нулю вольтметра.
3. Ручками «Диапазоны» и «Частота» МГц установить частоту, на которой должны быть замерены и записаны добротность Q и ёмкость С.
4. Переключатель «Шкалы Q» установить в положение Q= 400. Ручкой «Установка К» установить стрелку прибора «Коэффициент уровня К» на отметку «1».
5. Вращая ручку «Ёмкость, pF», настроить контур и резонанс по максимуму отклонения стрелки Q- вольтметра.
Если отсчёт лежит в начальной части шкалы, переключатель «Шкала Q» следует перевести в положение Q= 100, при этом необходимо установить нуль Q вольтметра. При зашкаливании стрелки Q вольтметра установить множитель К, необходимый для измерений (1,5; 2; 3). Измеряемая добротность равна произведению показаний Q вольметра и прибора «Коэффициент уровня К».
6. Присоединить конденсатор с исследуемым диэлектриком к клеммам С, на крышке прибора.
7. Настроить контур в резонанс вращением ручки «Ёмкость, pF».
8. Вычислить ёмкость C1 и величину tgб по формулам (3) для параллельного включения Cх и Lх , а так же вычислить ε по (4).
9. Произвести измерения на всех частотах, заданных преподавателем.
10. Данные измерений свести в табл. 3.1, полученные зависимости представить в виде графиков ε= F(x), tgб= φ(f).
11. Сделать вывод по полученным результатам измерений.
| Вид | F, Гц | tgб | Cх,Ф | ε | d, м | S, м2 |
| Бумага | 0,144 | 2,037*10-12 | 82,2*10-3 | 50*10-6 | 1,4*10-3 | |
| Полиэтилентерефталат | 0,0035 | 2,451*10-12 | 2,97*10-3 | 15*10-6 | 1,4*10-3 | |
| Полипропилен | 0,0048 | 861,810 | 252*10-3 | 35*10-6 | 1,4*10-3 |
ε= 
ε 1= 
82.2*10-3
ε 2= 
= 2.97*10-3 ε 3= 
Вывод:
В данной лабораторной работе мы ознакомились с методикой исследования зависимости E и tgδ твердого диэлектрика от частоты. Было установлено, что диэлектрические потери и tgδ с ростом частоты возрастают в тех материалах, где существуют причины вызывающие их, а именно: ионизация газовых включений, поляризация, собственная электропроводность, неоднородность структуры. При этом в однородных диэлектриках или чистых и однокомпазиционных диэлектриках диэлектрические потери вызываются только изменением электропроводности и мгновенными видами поляризации, поэтому tgδ очень мал и снижается с увеличением частоты. Из построенного графика видно, что диэлектрическая проницаемость при росте частоты может быть постоянной, но когда выполняются условия релаксации и идет накопление заряда. При дальнейшем повышении частоты дипольные молекулы проворачиваются на меньший угол, когда релаксационная поляризация будет отсутствовать, а диэлектрическая проницаемость будет определяться только мгновенными видами поляризации и E снижается и остается очень низкой.