Нижегородский Государственный Технический Университет.

Лабораторная работа по физике №2-30.

Экспериментальные исследования диэлектрических

свойств материалов.

Выполнил студент

Группы 99 – ЭТУ

Наумов Антон Николаевич

Проверил:

Н. Новгород 2000г.

Цель работы: определение диэлектрической проницаемости и поляризационных характеристик различных диэлектриков, изучение электрических свойств полей, в них исследование линейности и дисперсии диэлектрических свойств материалов.

Теоретическая часть:

Схема экспериментальной установки.

В эксперименте используются следующие приборы: два вольтметра PV1 (стрелочный) и PV2 (цифровой), генератор сигналов низкочастотный, макет-схема, на которой установлен резистор R=120 Ом, конденсатор, состоящий из набора пластин различных диэлектриков (толщиной d=2 мм).

Собираем схему, изображенную на РИС. 1. Ставим переключатель SA в положение 1. Подготавливаем к работе и включаем приборы. Подаем с генератора сигнал частоты f=60 кГц и напряжением U=5 В, затем по вольтметру PV1 установить напряжение U1=5 В. Далее, вращая подвижную пластину, измеряем напряжение U2 для конденсатора без диэлектрика и 4-x конденсаторов с диэлектриками одинаковой толщины. При этом напряжение U1 поддерживаем постоянным.

Напряженность поля между пластинами в вакууме Е₀ вычисляется по формуле: где При внесении пластины в это поле диэлектрик поляризуется и на его поверхности появляются связанные заряды с поверхностной плотностью . Эти заряды создают в диэлектрике поле , направленное против внешнего поля , и имеет величину: . Результирующее поле: . В электрическом поле вектор поляризации:, где  - диэлектрическая восприимчивость вещества. Связь модуля вектора поляризации с плотностью связанных зарядов: . относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Вектор электрической индукции . Этот вектор определяется только свободными зарядами и вычисляется как . В рассматриваемой задаче на поверхности диэлектрика их нет. Вектор D связан с вектором Е следующим соотношением .

Экспериментальная часть:

В данной работе используются формулы: , где S - площадь пластины конденсатора, d - расстояние между ними. Диэлектрическая проницаемость материала: . Для емкости конденсатора имеем: , где U₁ - напряжение на RC цепи, U₂ - напряжение на сопротивлении R, f - частота переменного сигнала. В плоском конденсаторе напряженность связана с напряжением U₁ как:

Опыт №1. Измерение диэлектрической проницаемости и характеристик поляризации материалов.

U₁= 5В, R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.

Материал

U₂, мВ

Воздух

40

Стеклотекстолит

97

Фторопласт

61

Гетинакс

89

Оргстекло

76

С_В =176 пкФ; С_СТ =429 пкФ;

С_ФП=270 пкФ; С_ГН=393 пкФ; С_ОС=336 пкФ;

; ;

; ;

Для гетинакса подсчитаем:

;

; ;

; ;

; ;

;

Расчет погрешностей:

; ; ;

;

;

(так как ).

;

Опыт № 2. Исследование зависимости  = f(E).

R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.

U₁, В

U₂, В

(воздух)

U₂, В

(гетинакс)

С₀, пкФ

С, пкФ

Е, В/м



1

0,009

0,019

200

420

500

2,10

2

0,016

0,036

177

398

1000

2,24

3

0,025

0,052

184

387

1500

2,09

4

0,031

0,070

171

384

2000

2,26

5

0,039

0,086

172

380

2500

2,21

График зависимости  = f(E) - приблизительно прямая, так как диэлектрическая проницаемость не зависит от внешнего поля.

Опыт № 3. Исследование зависимости диэлектрической проницаемости среды от частоты внешнего поля.

U₁= 5В, R=120Ом.

f, кГц

U₂, В

(воздух)

U₂, В

(гетинакс)

Х_С, кОм

(гетинакс)

С₀, пкФ

С, пкФ



20

0,015

0,030

20,0

199

398

2,00

40

0,029

0,059

10,2

192

391

2,04

60

0,041

0,089

6,7

181

393

2,07

80

0,051

0,115

5,2

169

381

2,25

100

0,068

0,146

4,1

180

387

2,15

120

0,078

0,171

3,5

172

378

2,18

140

0,090

0,197

3,0

181

373

2,18

160

0,101

0,223

2,7

167

370

2,21

180

0,115

0,254

2,4

169

374

2,21

200

0,125

0,281

2,2

166

372

2,24

По графику зависимости  = F(f) видно, что диэлектрическая проницаемость среды не зависит от частоты внешнего поля. График зависимости Х_С=F(1/f) подтверждает, что емкостное сопротивление зависит от 1/f прямо пропорционально.

Опыт № 4. Исследование зависимости емкости конденсатора от угла перекрытия диэлектрика верхней пластиной.

U₁= 5В, R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м, r=0,06м, n=18.

,⁰

U₂,В

С, пкФ

С_теор, пкФ

0

0,039

172

150

10

0,048

212

181

20

0,056

248

212

30

0,063

279

243

40

0,072

318

273

50

0,080

354

304

60

0,089

393

335

Опыт № 5. Измерение толщины диэлектрической прокладки.

U₁= 5В, R=120Ом, f=60 кГц.

Схема конденсатора с частичным заполнением диэлектриком.

U₂ (стеклотекстолит тонкий)=0,051В,

U₂ (стеклотекстолит толстый)=0,093В,

U₂ (воздух)=0,039В.

С₀ =172пкФ - без диэлектрика;

С₁ = 411пкФ - стеклотекстолит толстый;

С₁ = 225пкФ - стеклотекстолит тонкий.

; ; ; ;

; ; ;

Вывод: На этой работе мы определили диэлектрическую проницаемость и поляризационные характеристики различных диэлектриков, изучили электрические свойства полей, в них исследовали линейность и дисперсность диэлектрических свойств материалов.