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 |

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 ( = f(E).
R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.

|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.

|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 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.

|(,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.