Экспериментальная часть

     Измерительная ячейка представляет собой текстолитовую пластину с двумя парами электродов. К электродам, со стороны, обращенной к нагревателю, подсоединены два образца,  конденсаторы с диэлектриком между обкладками. С противоположной стороны к парам электродов подсоединяются зажимы измерителя иммитанса Е7-21. Измеритель иммитанса настроен на измерение емкости и тангенса угла потерь.

Зная значения емкости конденсатора можно определить диэлектрическую проницаемость материала в соответствии с формулой:

С =   e₀e S     ,                                   (11)

                                 d

где e₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума, равная                8,85×10^–12 Ф/м, d – толщина диэлектрика, S – площадь пластины.

Нагрев осуществляется с помощью печи, с регулируемой мощностью нагрева.

 

Порядок работы

1. Включите выключатель на рабочем столе.

2. Включите две спирали нагревательной печи, для равномерного нагрева. Регулятор скорости нагрева должен находиться в крайнем левом положении.

3. Включите измеритель иммитанса на задней панели прибора. На индикаторной панели измерителя верхняя строка показывает ёмкость (нФ), нижняя левая - тангенс угла потерь, нижняя правая - частоту, при которой проводятся измерения.

4. Через 2 минуты после прогрева прибора запишите показания при комнатной температуре.

5. Плавно поворачивайте регулятор скорости нагрева. Индикаторная лампа на передней панели печи показывает интенсивность нагрева. Остановившись на определённом положении регулятора, подождите 2 – 3 минуты, для того чтобы температура печи установилась. Внимательно следя за температурой, проводите измерения через каждые 10 градусов (20^оС, 30^оС, 40^оС и т.д.) и записывайте полученные значения в таблицу 3.1.  Измерения снимаются при нагреве до максимальной температуры 140^оС.

 

     ВНИМАНИЕ: Не поворачивайте регулятор скорости нагрева слишком резко, чтобы температура в печи не превысила 140^о.

 

6. После достижения предельной температуры регулятор скорости нагрева уберите в крайнее левое положение и выключите обе нагревательные спирали прибора.

7. Переключите измеритель иммитанса на второй образец и проведите его измерения по мере охлаждения печи от 140^оС до 50^оС. Результаты занесите в таблицу 3.1.

8. После завершения измерений выключите все приборы.

 

     ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: автоматический цифровой измеритель иммитанса - сложный дорогостоящий прибор, требующий аккуратного обращения. Не проводите манипуляций с прибором, не предусмотренных настоящим описанием.

 

9. Рассчитайте значения диэлектрической проницаемости материалов при каждой температуре. Занесите данные в таблицу 3.1.

Таблица 3.1.     

Температура, °С	Емкость Сх, нФ	tgd	e

 

10. Постройте графики зависимости тангенса угла потерь и диэлектрической проницаемости от температуры для обоих образцов.

11. По результатам измерений определите предполагаемый механизм поляризации материала (электронный, ионный и т.д.) и обоснуйте Ваш выбор.

ПАРАМЕТРЫ ОБРАЗЦОВ

 

Таблица 3.2.

 

Образец	Площадь	Толщина
№1	10мм×10мм	0,2 мм
№2	45 см2	0,025 см

 

Контрольные вопросы

1. В каком конденсаторе выше потери энергии электрического поля при равных температурах, напряжениях и частоте поля – полистиролового или бумажного?

2. Как изменятся потери энергии электрического поля в полистироловом конденсаторе при росте частоты электрического поля?

3. Как изменятся потери энергии электрического поля в слюдяном конденсаторе при росте его температуры?

Лабораторная работа № 4

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ ПРИ НАПРЯЖЕНИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ.

Цель работы

     Освоить метод экспериментального определения электрической прочности диэлектриков.

     Измерить электрическую прочность образцов различных материалов.

Теоретическая часть

     Электрической прочностью диэлектрика называют ту напряженность поля, при которой диэлектрик теряет изоляционные свойства. В однородном поле электрическую прочность (Епр) можно найти как отношение напряжения, приводящего к пробою (Uпр), к толщине диэлектрика (d):

Епр=Uпр/d.                                            (1)

     Различают три механизма пробоя: электрический, электротепловой и электрохимический. Механизм пробоя зависит от напряженности поля, температуры материала, его толщины, условий охлаждения, воздействия с окружающей среды. В газах обычно развивается электрический пробой.

     Рассмотрим пробой воздуха. В воздухе всегда содержится небольшое количество ионов, образующихся за счет действия космических лучей, естественной радиоактивности земли и других факторов. Под воздействием электрического поля ионы ускоряются и на длине свободного пробега набирают кинетическую энергию (Wк):

Wк = q l E,                                              (2)

где q - заряд частицы;

  l - длина свободного пробега в направлении поля (расстояние между двумя столкновениями с молекулами);

Е - напряженность электрического поля.

     Сталкиваясь с молекулой, ион передает ей энергию. Если эта энергия превышает энергию ионизации (Wи), то происходит ударная ионизация с образованием свободного электрона и положительно заряженного иона. Условие возникновения ударной ионизации можно записать в виде: Wк>Wи. Отсюда можно оценить минимальную напряженность поля, при которой начинается ударная ионизация по формуле:

 

Еи = Wи / q l.                                           (3)

     Помимо ударной ионизации, возможна фотонная ионизация газов при существенно меньших значениях напряженности поля. В этом случае взаимодействие иона с молекулой не приводит к ее ионизации, поскольку кинетическая энергия иона меньше энергии ионизации. Однако, поглотив кинетическую энергию иона, молекула переходит в возбужденное состояние. При переходе молекулы в равновесное состояние она испускает квант электромагнитного поля - фотон. В случае, если несколько фотонов одновременно попадет на какую-либо молекулу, суммарная энергия поглощенная молекулой, окажется больше энергии ионизации, что станет причиной образования дополнительной пары ионов. Очевидно, что повышение объема газа приведет к увеличению вероятности попадания нескольких фотонов в одну и ту же молекулу, поскольку возрастает общее количество ионов и, соответственно, увеличивается генерация фотонов.

В газах длина свободного пробега ионов существенно больше длины свободного пробега в твердых телах и жидкостях, поэтому электропрочность газов существенно ниже электропрочности жидких и твердых веществ. В тех случаях, когда в диэлектрике появляется газовая или паровая фаза, электропрочность жидкого или твердого диэлектрика снижается.

Помимо электрического, возможно развитие электротеплового и электрохимического пробоя. Электротепловой пробой связан с повышением температуры диэлектрика вследствие того, что энергия поля, рассеиваемая в диэлектрике, превышает отводимую тепловую энергию. При увеличении температуры диэлектрика возрастают потери на сквозную электропроводность и поляризацию, и, как следствие, снижается электропрочность диэлектрика. Электрохимический пробой вызван необратимыми изменениями химического состава материала при его нахождении в электрическом поле.