Лабораторная работа №3

Cx - емкость конденсатора в фарадах (1Ф = 1 1012 ПФ);

h - толщина диэлектрика (м);

S - площадь измерительного электрода образца (м2). Смещение областей максимумов tgδ по шкале температур

(рис.5) при изменении частоты электрического поля описывается

зависимостью	lg f	max	=ϕ(1	)	(рис.7), где f	max	- частота, а Т-
			Т

температура, при которой tgδ максимален. Как видно из рис.7 у дипольно-сегментального процесса (α-процесс) зависимость lg fmax =ϕ(1Т)нелинейная и для небольшого интервала температур энергия активации диэлектрической релаксации W определяется как

W = 2.3 k

d lg

fmax

= 2.3

k

lg

f2

− lg f1

,

(23)

d(1

/ T )

1

1

−

T1

T2

где к = 1,98 кал/моль град. = 8,31 Дж/моль град.

Экстраполяция зависимости lg

fmax =ϕ(1Т) к частоте

f ≈1Гц

позволяет определить температуру стеклования полимера Тс по результатам исследования диэлектрической релаксации, которая, как правило, оказывается на 5 ÷ 10 0С выше Тс, определенной по коэффициенту линейного расширения.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Цель работы

Изучить влияние температуры и частоты электрического поля на диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь полярного органического диэлектрика.

2.2. Задачи работы

Исследовать характер изменения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры полярного органического диэлектрика в области звуковых частот.

Рассчитать энергию активации диэлектрической релаксации и определить температуру стеклования полимера.

44

Лабораторная работа №3

2.3. Электрическая схема установки

В данной работе измерение Сх

и tgδ исследуемых

диэлектриков производится с помощью полууравновешенного моста, электрическая схема которого приведена на рис.8.

Рис.8. Электрическая схема полууравновешеннгого моста Здесь ЗГ - генератор звуковой частоты;

СЭ - эталонный конденсатор; Сх - образец исследуемого диэлектрика;

6Ж1Ж - пентод катодного повторителя; Uд - ламповый вольтметр

Принцип работы такого моста состоит в следующем. Напряжение звуковой частоты (U) с симметричного выхода генератора (ЗГ), имеющего заземленную среднюю точку, подается на емкостной делитель, состоящий из испытуемого диэлектрика (Сх) и вакуумного (эталонного) конденсатора (Сэт).

Между средними точками генератора напряжения и делителя включен катодный повторитель на лампе 6Ж1Ж и индикаторный ламповый милливольтметр (Uд) с большим входным сопротивлением. Упрощенная схема моста показана на рис. 9.

45

Лабораторная работа №3

Рис.9. Упрощенная схема полууравновешенного моста

Настройка моста производится путем изменения емкости Сэт. Равновесие моста соответствует условию Сэт = Сх и, следовательно, падение напряжения на эталонном конденсаторе Uэ и исследуемом диэлектрике Ux будут одинаковы.

Вэтом случае, как следует из упрощенной схемы (рис.9), емкостные токи в диагонали моста направлены встречно и

компенсируют друг друга, а ламповый милливольтметр Uд будет показывать падение напряжения на сопротивлении диагонали моста

Zд, пропорциональное активной составляющей тока через Сх и, следовательно, пропорциональное величине tgδ .

Вмомент достижения равновесия моста по емкостным

составляющим тока при Сэт = Сх, падение напряжения в диагонали моста будет иметь минимальное значение, по которому и производится расчет tgδ .

Вслучае, когда величина tgδ незначительно отличается от

единицы, т.е.		при условии 1> tg δ ≥ 0,01 расчетная формула имеет
вид:			4 Uд
tgδ =						2 .
	U			U	д
		1− 2 −
				U
При значениях tg δ < 0,01 расчет его производится по
уравнению
tgδ =	4 U д		,
	U

где напряжения Uд и U измеряются в вольтах. Если задать величину напряжения на выходе генератора такой, чтобы 4/U = 0.1, тогда уравнение (4) примет вид:

tg δ = 0,1 Uд.

(24)

(25)

(26)

46

Лабораторная работа №3

2.4. Порядок работы на установке

Установку можно включать только с разрешения преподавателя.

1.Подготовить образцы исследуемого диэлектрика. Измерить их толщину и диаметр верхнего электрода.

2.Поместить образец в электродное устройство, надеть металлический экран и обогреватель.

3.Перевести тумблеры "сеть" генератора, лампового милливольтметра и полууравновешенного моста в верхнее положение "включено" и дать прогреться приборам 15-20 минут.

4.Установить на генераторе выходное напряжение 40 вольт ручкой «регулировка вых.». Произвести уравновешивание моста

путем изменения емкости СЭ (рис.8) таким образом, чтобы достичь минимального значения напряжения в диагонали моста Uд.

5.При уравновешивании моста чувствительность лампового милливольтметра повышают путем установления переключателя «mV» и «V» в положение «mV», а переключателя пределов измерений в соответствующий измеряемой величине напряжения предел «300», «100», «30» и «10». При этом необходимо следить, чтобы показания милливольтметра не превышали 2/3 части шкалы.

5.Включить термостат и через каждые 5-10 оС повторять измерения Сх и tgδ .

6.Выполнить измерения согласно задания и результаты

измерений занести в табл. 1.

2.5. Задание

1. Произвести измерения Сх и tgδ при повышении

температуры от комнатной до 130 оС на частотах, указанных в табл.1.

2.Рассчитать диэлектрическую проницаемость (уравнение 22) по полученным результатам.

3.Построить зависимость lg fтах =ϕ(1 / Т ).

4.Рассчитать энергию активации диэлектрической релаксации

(уравнение 23) и определить температуру стеклования полимера (согласно рис.7).

5. Объяснить механизм вырождения дипольно-эластических потерь, связав их с особенностями теплового движения молекул в полимерах.

47