Добавлен: 31.01.2019
Просмотров: 4586
Скачиваний: 45
1.4. Используемое оборудование
«Измеритель RLC», минимодули «Диэлектрическая проницаемость бумаги», «Диэлектрическая проницаемость полиэтилентерефталата», «Диэлектрическая проницаемость полипропилена», соединительные проводники.
1.5. Задание на выполнение лабораторной работы
1. Для выданных образцов определить и tg,
2. Сравнить полученные результаты со справочными данными.
3. Построить гистограммы и сравнить диэлектрики по величине и tg.
1.6. 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. Подключить минимодуль «Диэлектрическая проницаемость» к измерителю RLC, как указано на рис. 1.6 (полярность подключения значения не имеет).
В данной лабораторной работе производится измерение емкости конденсаторов прямым методом – измерителем RLC.
6. Собрав электрическую (монтажную) схему, необходимо пригласить преподавателя для её проверки.
7. 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 120 Гц 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: «F» - 10–6 Ф; «nF» – 10–9 Ф; «pF»- 10–12Ф.
В правой верхней части дисплея отображается тангенс угла диэлектрических потерь. Заносить показания измерителя RLC в табл. 1.1.
Не отключая измеритель RLC заменить минимодуль на другой из набора и заносить емкость и угол диэлектрических потерь в табл. 1.1. Повторить измерения для всех выданных образцов. Результаты измерений заносить в табл. 1.1
Таблица 1.1
№ п.п. |
f, Гц |
0, Ф/м |
Измерителем RLС |
|
d, м |
S, м2 |
С0, Ф |
|
tg |
Сx |
|||||||
1-ый образец |
|
8,85 10–12 |
|
|
|
|
|
|
2-ой образец |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.6 - Соединение измерителя RLC и минимодуля «Диэлектрическая проницаемость: 1 – кнопка выбора режима измерения основного параметра (емкость, индуктивность, сопротивление); 2 – кнопка включения прибора; 3 – кнопка выбора частоты тест сигнала; 4 – кнопка выбора режима измерения дополнительного параметра (активное сопротивление, добротность, диэлектрические потери).
8. Рассчитать диэлектрическую проницаемость образцов, используя формулы (1.1) – (1.2) и данные табл. 1.1.
Для минимодулей «Диэлектрическая проницаемость»: площадь обкладок измерить на опытном образце, толщина диэлектрика d указана на минимодуле. Расчёты данные заносить в таблицу 1.1.
9. Сравнить полученные данные со справочными.
10. По полученным данным построить гистограммы и сравнить диэлектрики по величине тангенса диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости. Сделать вывод о целесообразности применения диэлектрика в том или ином случае.
11. После оформления отчета и проверки результатов преподавателем необходимо разобрать схему, предоставить комплект в полном составе и исправности преподавателю или лаборанту.
12. Ответить на контрольные вопросы.
1.7. 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.
1.8. Контрольные вопросы
1. Приведите определение поляризации
2. Назовите основные механизмы поляризации
3. Приведите определение «диэлектрической проницаемости».
4. Физическая природа диэлектрических потерь.
5. На что расходуется мощность диэлектрических потерь и от чего она зависит?
6. Приведите векторные диаграммы, соответствующие последовательной и параллельной схемам замещения диэлектрика.
7. Приведите определение тангенса угла диэлектрических потерь.
8. В чем опасность диэлектрических потерь в конденсаторах и изоляционных материалах?
Лабораторная работа № 2
ИЗМЕРЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ.
2.1. Цель работы
Изучить влияние температуры на тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости представленных диэлектриков.
2.2. Задачи работы
1. Построить график зависимости диэлектрической проницаемости (или емкости) и тангенса угла диэлектрических потерь tg исследуемых диэлектриков от температуры.
2. Определить температурный коэффициент диэлектрической проницаемости при температуре, указанной преподавателем.
2.3. Краткие теоретические сведения
Диэлектрическая проницаемость зависит от концентрации молекул п диэлектрика и поляризуемости каждой молекулы. В свою очередь, п и зависят от природы диэлектрика и его температуры, а – еще и от частоты приложенного напряжения.
В твердых неполярных диэлектриках молекулярного стро- ения обладают в основном только электронной поляризацией. Поэтому они имеют невысокое значение диэлектрической проницаемости ( = 2,0÷2,5).
Значения п и э от частоты напряжения не зависят, поэтому и диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от частоты во всем диапазоне, включая оптические частоты. При нагревании монотонно снижается (рис. 2.1), так как уменьшается концентрация п поляризуемых молекул в результате теплового расширения диэлектрика. В области температуры плавления Тпл, (у парафина Тпл 50 °С) скачкообразно снижается.
Рис. 2.1. Зависимость диэлектрической проницаемости е неполярных диэлектриков от температуры Т
Величина, характеризующая относительное изменение при нагревании диэлектрика на один кельвин, называется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТК и измеряется в К–1:
. (2.1)
Среднее значение (К-1) можно определить из выражения
, (2.2)
где значение 2 измерялось при температуре Т2 а 1 – при Т1.
Твердые диэлектрики молекулярного строения полярные (канифоль) наряду с электронной поляризацией обладают и дипольно-релаксационной.
Величина полярных диэлектриков при нагревании вначале меняется незначительно, затем резко возрастает, проходит через максимум и далее медленно снижается; максимум с увеличением частоты напряжения смещается в область более высоких температур (рис. 2.2). Наличие максимума объясняется тем, что с увеличением температуры дипольно-релаксационная поляризуемость др сначала возрастает, а затем снижается (см. рис. 2.2, 1).
Рис. 2.2. Зависимость диэлектрической проницаемости полярного диэлектрика от температуры Т: частота измерения: f1 = 102, f2 = 103, f3 = 104, f4 = 105 Гц. Образующие : 1 – др(T); 2 – э(T); 3 – n(T).
Вследствие нелинейной зависимости от температуры ТК находят для различных температурных интервалов. Значения ТК определяют чаще всего методом графического дифференцирования кривой зависимости от Т (см. рис. 2.2). Для этого в точке А, соответствующей заданной температуре Т1 и частоте f1 проводят касательную к кривой и строят на ней, как на гипотенузе, прямоугольный треугольник произвольных размеров. Значение ТК в точке А находится как отношение катетов треугольника с учетом масштабов и Т, деленное на значение в точке А.
Для твердых диэлектриков ионного строения с плотной упаковкой решетки ионами (корунд, кварц, слюда) характерны электронная и ионная поляризации. При нагревании диэлектрическая проницаемость обычно возрастает (ТК положительный), так как возрастает и (рис. 2.3, а).
У некоторых диэлектриков (титаносодержащая керамика) ТК отрицательный, поэтому при нагревании у них уменьшается.
Рис. 2.3. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости диэлектрика с плотной упаковкой решетки – корунда (а) и с неплотной упаковкой решетки – электротехнического фарфора (б). Образующие : 1 – э(T); 2 – н(T); 3 – п(Т); 4 – ир(T)
Диэлектрическая проницаемость аморфных и кристаллических диэлектриков с неплотной упаковкой решетки ионами (электротехнический фарфор, неорганические стекла, асбест) зависит от температуры и частоты напряжения вследствие проявления ионной и, главным образом, ионно-релаксационной поляризаций (см. рис. 2.3, б). У этих диэлектриков ТК положительный и в отличие от ТК диэлектриков ионного строения с плотной упаковкой решетки имеет высокие значения. Увеличение диэлектрической проницаемости при нагревании происходит преимущественно за счет роста концентрации ионов, принимающих участие в ионно-релаксационной поляризации.
В кристаллических диэлектриках с плотной упаковкой решетки ионами поляризация не вызывает рассеивание мощности приложенного электрического поля, поэтому диэлектрические потери обусловлены только удельной электропроводностью и имеют небольшие значения, тангенса угла потерь (tg 10-4), который при нагревании незначительно возрастает (рис. 2.4, а,б, кривые II) так как возрастает удельная электропроводность (см. рис. 2.4 а, кривая I). Наличие примеси, искажающей кристаллическую решетку, приводит к существенному увеличению tg.
В диэлектриках аморфных и кристаллических с неплотной упаковкой решетки поляризация, вызывает ионно-релаксационные потери. Диэлектрические потери в этом случае обусловлены электропроводностью и ионно-релаксационной поляризацией (см. рис. 2.4, а, кривые 1 и 2). Диэлектрические потери в этих диэлектриках выше (tg 10-2), чем в диэлектриках кристаллических с плотной упаковкой решетки ионами и сильно зависят от температуры (см. рис. 2.4, б, кривая I): при нагревании tg существенно возрастает (ср. кривые I и II рис. 2.4).
Рис. 2.4. Общий вид (а) зависимости tg от температуры T диэлектриков ионного строения аморфных или кристаллических с неплотной упаковкой решетки ионами (I) и с плотной упаковкой решетки ионами (II). Образующие tg, обусловленные электропроводностью (1) и ионно-релаксационной поляризацией (2);
температурная зависимость (б) tg изоляторного фарфора (I) и алюминоксида (корунда) — (II) при 1 МГц
В неполярных диэлектриках молекулярного строения потери обусловлены только удельной электропроводностью. У этих диэлектриков наблюдается электронная поляризация; релаксационные виды поляризации отсутствуют. Диэлектрические потери небольшие (tg 10-4) и при нагревании слегка возрастают (аналогично кривой tg 1 рис. 2.5). Наличие ионогенной примеси (например, влаги) приводит к существенному возрастанию диэлектрических потерь.
Рис. 2.5. Общий вид зависимости tg жидких неполярных диэлектриков от температуры Т. 1- образующая tg, обусловленная удельной электропроводностью.
В полярных диэлектриках (например, в канифоли) на кривых зависимости tg от температуры и частоты напряжения, подобно полярным жидким диэлектрикам, проявляется максимум тангенса угла диэлектрических потерь, обусловленный дипольно-релаксационной поляризацией (рис. 2.6). В этих диэлектриках, так же как в жидких полярных, диэлектрические потери складываются из потерь, обусловленных электропроводностью и дипольно-релаксационной поляризацией. Величина tg 10-3- 10-2.
Рис. 2.6. Зависимость (1) и tg(2) канифоли от температуры Т при 50 Гц
2.4. Используемое оборудование
Модули «Функциональный генератор», «Магнитомягкие материалы и тепловой коэффициент сопротивления / емкости», «Модуль питания», минимодуль «ТКЕ конденсаторов», «Измеритель RLC», мультиметр, соединительные проводники.
2.5. Задание на выполнение лабораторной работы
1. Измерить емкость конденсатора и тангенс угла диэлектрических потерь tg исследуемых диэлектриков при различных температурах.
2. Методом графического дифференцирования вычислить температурный коэффициент емкости и тангенса угла диэлектрических потерь исследуемых образцов при указанной преподавателем температуре.
2.6. 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. Согласно рис. 2.7 выполнить электрические соединения модулей для измерения тангенса диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости твёрдых диэлектриков. Монтаж схемы производить при отключенном питании.
В качестве источника питания, для нагрева опытного образца, использовать нерегулируемый выход «+15В» модуля питания (на время настройки измерителя RLC не соединять общий проводника модуля питания и схемы). В качестве Р1 использовать измеритель RLC, в качестве Р2 – мультиметр в режиме измерения температуры «°С». Подключить выводы термопары минимодуля «ТКЕ конденсаторов» к контактам «ТЕМР» мультиметра.
Рис. 2.7. Схема электрическая соединений типового комплекта для измерения зависимости диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь от температуры
6. После проверки правильности соединений схемы преподавателем или лаборантом, подать напряжение питания на комплект включением автоматического выключателя и УЗО «Модуля питания».