Включить измеритель RLC, нажав кнопку 2 (рис. 1.6), нажатием кнопки 1 (рис. 1.6) установить режим измерения емкости, о чем будет свидетельство­вать символ «F» - фарады в нижнем правом углу дисплея. Установить частоту тест сигнала 1кГц нажатием кнопки 3 (рис. 1.6), частота тест сигнала отобра­жается в правой части дисплея «120 Hz». Установить режим измерения диэлек­трических потерь кнопкой 4 (рис. 1.6), данный режим измерения индицирует символ «D» в верхней части дисплея.

Значение емкости будет отображаться крупными цифрами в нижней части дисплея, справа от значения расположена единица измерения: «µF» - 10^-6Ф; «nF» - 10^-9Ф; «pF» -10^-12Ф.

7. Для начала эксперимента необходимо соединить общий проводник мо­дуля и нагревательного элемента минимодуля (рис. 2.7).

Заносить значение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь в таб­л. 2.1 через каждые 5 °С. Измерения проводить до 100 °С. НЕ ДОПУСКАЕТ­СЯ НАГРЕВАТЬ ОБРАЗЦЫ ВЫШЕ 100°С

8. Повторить измерения для всех выданных образцов. Результаты заносить в табл. 2.1.

9. Рассчитать диэлектрическую проницаемость  образцов используя фор­мулы (1.1) – (1.2) и данные табл. 2.1.

Расчёты и исходные данные заносить в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

№ п.п.	Конденсатор 1				Конденсатор 2
	t,°C	tg	Сx, Ф		t,°C	tg	Сx, Ф	
1	20				20
2	25				25
3	30				30
4	35				35
5	40				40
…	…				…

10. Построить зависимость tg и  от температуры.

11. После оформления отчета и проверки результатов преподавателем необ­ходимо разобрать схему, предоставить комплект в полном составе и исправности преподавателю или лаборанту.

2.7. Содержание отчета

1. Название работы. Цель работы.

2. Используемое оборудование и схемы электрических соединений.

3. Результаты измерений.

4. Результаты расчётов и построенные опытные зависимости (графики).

5. Краткие выводы по каждой работе, анализ полученных результатов:

– сравнение опытных зависимостей (графиков) с теоретическими;

– сравнение полученных экспериментальных значений с табличными, с обязательными ссылками на источники информации;

– сопоставление их расхождений с точностью измерений.

6. Обобщающий вывод по всей лабораторной работе. Вывод включает в себя:

а) основные численные результаты работы;

б) погрешность измерений, в случае относительной погрешности более 15% обязательны анализ и указание причин, приведших к снижению точности эксперимента.

2.8. Контрольные вопросы

---

1. Какие физические процессы сопровождают нагрев диэлектрика, ведущие к изменению его основных параметров?

2. Какое физическое явление лежит в основе измерения температуры с ис­пользованием термопары?

Лабораторная работа № 3

ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ АКТИВНЫХ
ДИЭЛЕКТРИКОВ

3.1. Цель работы

Исследовать явление поляризации в активных диэлектриках.

3.2. Задачи работы

Определить tg и  активных диэлектриков и по полученным результатам определить исследуемый материал.

3.3. Краткие теоретические сведения

Активными называют диэлектрики, свойствами которых есть возможность управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электротехники и элект- ^; роники. Активные диэлектрики позволяют осуществлять генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание или преобразо­вание информации. По мере наращивания сложности электронной аппаратуры и перехода к функциональной электронике роль и значение активных материалов , при решении важнейших научных и технических задач непрерывно возрастают.

К числу активных диэлектриков относят сегнето- , пьезо- и пироэлектрики; электреты; материалы квантовой электроники; жидкие кристаллы; электро-, маг- нито- и акустооптические материалы; диэлектрические кристаллы с нелинейны­ми оптическими свойствами и др.

Свойствами активных диэлектриков могут обладать не только твердые, но также жидкие и даже газообразные вещества (например, активная среда газовых лазеров). По химическому составу это могут быть органические и неорганиче­ские материалы. По строению и свойствам они подразделяются на кристалличе­ские и аморфные, полярные и неполярные диэлектрики. Ряд материалов проявля­ет свою активность лишь благодаря наличию в них спонтанной или устойчивой остаточной поляризации. Однако поляризованное начальное состояние не являет­ся обязательным условием проявления активности материала при внешних воз­действиях. Строгая классификация активных диэлектриков, охватывающая мно­гие отличительные признаки этих материалов, оказывается весьма затруднитель­ной. К тому же резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. Один и тот же материал в различных условиях его эксплуатации может выполнять либо пассивные функции изолятора или конденсатора, либо ак­тивные функции управляющего или преобразующего элемента.

В зависимости от технического назначения существенно различны и требо­вания к материалам. Так, одно из главных требований, предъявляемых к пассив­ным диэлектрикам, заключается в сохранении стабильности свойств при внешних воздействиях. В то же время требования к активному материалу совершенно про­тивоположные: чем сильнее изменяются его свойства при внешних возмущениях, тем лучше может выполнять активный элемент функции управления энергией или преобразования поступающей информации.

---

В большинстве случаев активные диэлектрики классифицируют по роду физических эффектов, которые используются для управления свойствами мате­риалов. Однако такая классификация, хотя и является вполне логичной и обосно­ванной, все же не позволяет четко отделить одну группу материалов от другой. Это связано с тем, что многие материалы проявляют высокую чувствительность по отношению к нескольким видам энергетических воздействий. Наибольшей универсальностью в этом плане характеризуются сегнетоэлектрики, которые со­четают в себе свойства пьезо- и пироэлектриков, электрооптических и нелиней- но-оптических материалов. Они могут выступать и в качестве электретов. Вместе с тем, сегнетоэлектрики обладают рядом специфических, только им присущих свойств. Важнейшим из них является нелинейное изменение поляризованности при воздействии электрического поля. Это обстоятельство позволяет выделить сегнетоэлектрики в самостоятельную группу активных диэлектриков, аналогично и жидкие кристаллы, спецификой которых является анизотропия свойств и высо­кая структурная подвижность молекул, проявляющаяся во многих оптических эффектах, несвойственных другим веществам.

3.4. Используемое оборудование

Модуль «Функциональный генератор», «Модуль питания», «Обратный пьезоэффект», «Измеритель RLC», соединительные проводники.

3.5. Задание на выполнение лабораторной работы

1. Измерить тангенс угла диэлектрических потерь и емкость активных диэлектриков.

2. Вычислить относительную диэлектрическую проницаемость.

3. На основании полученных данных определить материал.

3.6. Программа работы

1. Прочитать методические указания по подготовке и проведению лабораторной работы.

2. Получить у преподавателя вариант задания исходных данных к работе.

3. При ознакомлении с рабочим местом проверить наличие необходимых приборов и соединительных проводников (в случае отсутствия какого-либо ком­плектующего элемента типового комплекта необходимо немедленно сообщить об этом преподавателю или техническому персоналу);

4. Перед сборкой цепи проверить, чтобы все приборы на рабочем столе бы­ли выключены;

5. Соединить RLC-метр и диэлектрик HF модуля «Обратный пьезоэффект» согласно рис. 3.1, где P1 – «Измеритель RLC».

Рис. 3.1. Схема электрическая соединений типового комплекта для измерения диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь в активных диэлектриках

6. После проверки правильности соединений схемы преподавателем или лаборантом, подать напряжение питания на комплект включением автоматиче­ского выключателя и УЗО «Модуля питания».

Включить измеритель RLC, нажав кнопку 2 (рис. 1.6), нажатием кнопки 1 (рис. 1.6) установить режим измерения емкости, о чем будет свидетельство­вать значок «F» - фарады в нижнем правом углу дисплея. Установить частоту тест сигнала 1 кГц нажатием кнопки 3 (рис. 1.6), частота тест сигнала отобра­жается в правой части дисплея «1kHz». Установить режим измерения диэлектри­ческих потерь кнопкой 4 (рис. 1.6), данный режим измерения индицирует символ «D» в верхней части дисплея.

---

Значение емкости будет отображаться крупными цифрами в нижней части дисплея, справа от значения расположена единица измерения: «μF» – 10^–6 Ф; «nF» » – 10^–9 Ф; «pF» » – 10^–12 Ф.

Заносить емкость и тангенс угла диэлектрических потерь в таб. 3.1. Сменить образец диэлектрика, подключив измеритель RLC ко второму диэлек­трику HF модуля «Обратный пьезоэффект» (аналогично рис. 3.1), и повто­рить измерение.

7. Рассчитать диэлектрическую проницаемость е образцов, используя фор­мулы (1.1) – (1.2) и данные табл. 3.1 (для данных диэлектриков м², м).

Расчёты и исходные данные заносить в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

№ п.п.	tgδ	, мкФ		ε
1-ый образец
2-ой образец

8. После оформления отчета и проверки результатов преподавателем необ­ходимо разобрать схему, предоставить комплект в полном составе и исправности преподавателю или лаборанту.

3.7. Содержание отчета

1. Название работы. Цель работы.

2. Используемое оборудование и схемы электрических соединений.

3. Результаты измерений.

4. Результаты расчётов и построенные опытные зависимости (графики).

5. Краткие выводы по каждой работе, анализ полученных результатов:

– сравнение опытных зависимостей (графиков) с теоретическими;

– сравнение полученных экспериментальных значений с табличными, с обязательными ссылками на источники информации;

– сопоставление их расхождений с точностью измерений.

6. Обобщающий вывод по всей лабораторной работе. Вывод включает в себя:

а) основные численные результаты работы;

б) погрешность измерений, в случае относительной погрешности более 15% обязательны анализ и указание причин, приведших к снижению точности эксперимента.

3.8. Контрольные вопросы

1. Приведите определение активных диэлектриков? Области их примене­ния

2. Какая электрическая упорядоченность свойственна сегнетоэлектрикам?

3. Приведите определение сегнетоэлектрической точки Кюри?

4. Назовите главное отличие сегнетоэлектриков от других активных ди­электриков

5. Приведите определение пироэлектрического эффекта? Какие применения пироэлектриков вам известны?

Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ ПРЯМОГО И ОБРАТНОГО ПЬЕЗОЭФФЕКТА

4.1. Цель работы

Определить заряд, выделяемый при прямом пьезоэффекте. Изучить явления обратного пьезоэффекта

4.2. Задачи работы

1. Вычислить пьезомодуль пьезоэлектрика при прямом пьезоэффекте.

2. Построить АЧХ выходного напряжения пьезоэлектрика при обратном пьезоэффекте и определить резонансную частоту.

4.3. Краткие теоретические сведения

К пьезоэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выра­женным пьезоэлектрическим эффектом.

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений.

Это явление было открыто братьями Кюри в 1880 г. Возникающий на каж­дой из поверхностей диэлектрика электрический заряд изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий (рис. 4.1).

---

Рис. 4.1. Закономерности при пьезоэлектрическом эффекте в ди­электриках

(4.1)

,

где Q – заряд; – пьезомодуль; F– сила, S – площадь; q_s – заряд, кото­рый приходится на единицу площади; Р – поляризованность;  – механическое напряжение в сечении диэлектрика.

Таким образом, пьезомодуль численно равен заряду, возникающему на единице поверхности пьезоэлектрика при приложении к нему единицы давления (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Осциллограмма напряжения, возникающего на обкладках пьезоэлемента при кратковременном приложении силы F.

Значение пьезомодуля используемых в практике пьезоэлектриков составля­ет около 10 Кл/Н.

Пьезоэлектрический эффект обратим. При обратном пьезоэлектрическом эффекте происходит изменение размеров диэлектрика l/l в зависимости от на­пряженности электрического поля Е по линейному закону (рис. 4.1, б)

, (4.2)

где  – относительная деформация.

В термодинамике доказывается, что пьезомодули ∂ прямого и обратного пьезоэффектов для одного и того же материала равны между собой.

Деформация пьезоэлектрика зависит от направления электрического поля и меняет знак при изменении направления последнего. На рис. 4.1 показано, что при приложении к пьезоэлектрику синусоидального электрического поля у него возникают синусоидальные деформации той же частоты. Различают также продольный и поперечный пьезоэлектрические эффекты. Под первым понимают такой эффект, когда возникновение зарядов на противоположных гранях пла­стинки определяют в том же направлении, в котором были приложены меха­нические усилия, а при обратном пьезоэлектрическом эффекте деформацию из­меряют в направлении приложенного электрического поля. При поперечном пье­зоэлектрическом эффекте возникающие заряды или деформации измеряют в на­правлении, перпендикулярном направлению механических усилий или электри­ческого поля соответственно.

Следует иметь в виду, что уравнения (4.1) и (4.2) носят лишь ка­чественный характер. Реальное описание пьезоэлектрического эффекта оказыва­ется намного сложнее. Это обусловлено тем, что механическое напряжение явля­ется тензорной величиной, которая содержит в общем случае шесть независимых компонентов. Принципиальное отличие тензора напряжений от векторных харак­теристик состоит в том, что на противоположных гранях любого элементарного объема компоненты тензора имеют противоположное направление, тогда как сос­тавляющие (проекции) любого вектора во всех точках элементарного объема на­правлены одинаково. Пьезомодуль, устанавливающий связь между вектором по­ляризации и механическим напряжением, по сравнению с последним является тензором более высокого (третьего) ранга. Он имеет 18 независимых компонен­тов.

4.4. Используемое оборудование

Модуль «Измеритель RLC», «USB - осциллограф», модули «Прямой и обратный пьезоэффект. Наборное поле», «Функциональный генера­тор», соединительные проводники.

---

Смотрите также файлы

• Макро 2 семестр.docx

• Компьютерный английский Met_196.doc

• Информатика.docx

• Задачи по физике.docx

• дневник ПГС.doc