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 Е0вычисляется 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 c - 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 - напряжениена 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 |
СВ =176 пкФ; ССТ =429 пкФ;
СФП=270 пкФ; СГН=393 пкФ; СОС=336 пкФ;
; ;
; ;
Для гетинакса подсчитаем:
;
; ;
; ;
; ;
;
Расчет погрешностей:
;;;
;
;
(так как ).
;
Опыт № 2.Исследование зависимости e = 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 | e |
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 e = 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) | ХС, кОм (гетинакс) | С0, пкФ | С, пкФ | e |
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 e = F(f) видно, что диэлектрическая проницаемость среды не зависит от частоты внешнего поля. График зависимости ХС=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.
a,0 | U2,В | С, пкФ | Стеор, 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.