Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
ЛР № 6. Вимірювання діелектричної проникності твердих ізоляційних матеріалів.
|
|
Теоретичні відомості.
Тверді діелектричні матеріали (діелектрики в електричному полі набувають ряд властивостей, одна з яких – поляризація діелектрика.
Під поляризацією діелектрика розуміють обмежене зміщення зв‘язаних електричних зарядів або дипольних молекул діелектрика в напрямку діючих на них сил і тим більше, чим вища напруженість електричного поля Е.
Будь який діелектрик з нанесеними на нього електродами, ввімкнений в електричне коло, являє собою конденсатор, заряд якого
Q=CU;
де: С – ємність конденсатора; U – прикладена напруга.
Заряд конденсатора при заданій напрузі можна уявити складеним з двох доданків:
Q=Qo+Qd;
де: Qo, Qd – заряди, обумовлені відповідно геометричними розмірами електродів (якби вони були розділені вакуумом) і поляризацією діелектрика.
Кількісною оцінкою процесу поляризації в діелектриках є відносна діелектрична проникність 
, яка представляє собою відношення заряду Q реального конденсатора до заряду Qo (вакуумного):
;
З наведеного виразу виходить, що відносна діелектрична проникність будь якої речовини більша від одиниці.
Відносну діелектричну проникність визначають одночасно з іншою електричною характеристикою – тангенсом кута діелектричних втрат 
.
Розсіювання енергії в матеріалі спостерігається як при змінній так при постійній напрузі, але головну роль відіграють процеси при змінній напрузі. Електрична потужність, яка витрачається в електроізоляційному матеріалі при знаходженні в електричному полі, називається діелектричними втратами.
Розглянемо зразок електроізоляційного матеріалу, який знаходиться під змінною напругою.
Якщо б діелектричних втрат не було, то кут між напругою, діючою на ізоляційний матеріал і струмом, який протікає крізь нього, дорівнював би 90о. В зв‘язку з тим, що ізоляція практично має активну провідність, кут зсуву фаз між напругою і струмом менше 90о. Різниця між 90о та кутом зсуву фаз називається кутом діелектричних втрат.
Зразок матеріалу з втратами представляють у вигляді еквівалентної схеми зміщення (див. рис.1), де 
(де 
зсув фаз між струмом і напругою.
Для паралельної схеми діелектричних втрат
; (1)(1)
Ємність еквівалентної паралельної схеми у більшості випадків розглядається як шукана ємність С.
При змінному струмі крізь ізоляцію протікає струм І (рис. 2), який дорівнює геометричній сумі струмів: наскрізної провідності Ін, абсорбції Іаб., ємнісного (струм зміщення) ІСзм, обумовленого геометричною ємністю С:
І = ІСзм+ Іаб+ Ін
Для загального випадку, який відповідає векторній діаграмі на рис.2, потужність діелектричних втрат може бути визначена наступним чином:
Р = (Ін + Іаб”)U
|
Визначивши сумарний активний струм через реактивний, одержимо:
; (2)
де Іаб’ – реактивна складова струму абсорбції. перетворюючи вираз (2), маємо
; (3)
де: U – напруга, 
- кругова частота (
), Сх –ємність, 
- тангенс кута діелектричних втрат.
Оскільки 
практично не змінюються, то про втрати енергії в ізоляції судять за величиною тангенса кута діелектричних втрат, який має даний діелектрик.
Діелектрична проникність та діелектричні втрати якісно характеризують діелектрик з точки зору електроізоляційних властивостей та можливостей їх використання в різноманітних високовольтних апаратах.
Із формули (1) випливає, що практично для визначення 
необхідно визначити ємність та активний опір досліджуваного зразка матеріалу.
На практиці для визначення ємності і активного опору найчастіше використовують мостову схеме вимірювань. На рис.3 показана схема вимірювання. Рівновага моста наступає при умові рівності добутків повних опорів протилежних плечей. В комплексному вигляді:
Підставимо:
;
;
;
;
Порівнюючи окремо дійсні і уявні частини, отримаємо:
де 
При значенні 
виразом 
можна знехтувати. Тоді:
і , де 
- змінна ємність. Якщо 
, то 
можна проградуювати безпосередньо в .
Для вимірювання ємності конденсаторів і тангенса кута діелектричних втрат використовується міст змінного струму ЦЕ 5002. Зрівноваження мостової схеми здійснюється шляхом автоматичного порівняння двох магнітних потоків: потоку, що створюється колом зразкової міри ємності, і потоком, створюваним колом вимірюваної ємності. Відлік результатів вимірювання здійснюється по значеннях С і , які висвілюються на числових індикаторах.
Порядок виконання роботи.
1. Зібрати схему.
2. Виміряти товщину зразків за допомогою мікрометра з точністю 0, 01 мм.
 |
Рис. 4. Схема вимірювання параметрів діелектрика мостом змінного струму ЦЕ 5002
1 – нижній електрод, 2 – верхній електрод, 3 – екрануючий електрод, 4 – досліджуваний діелектрик, 5 – міст змінного струму ЦЕ 5002.
3. Ввімкнути прилад і виміряти значення ємності зі зразками матеріалів. Дані занести в таблицю.
| № з/п | Матеріал зразка | h, мм | d, мм | С, пФ | C0, пФ | e |
Розмістимо таблицю у листі MS Excel:
Рис.1.
4. Проведемо розрахунки, визначимо С0 і ε за формулами:
С0=8, 85*10-12pd2/4h
Рис.2.
i – e=Cx/C0
Рис.3.
5. Провести аналіз результатів і зробити висновки.