Лабораторная работа №1. Изучение основ микроструктурного анализа металлов и сплавов с применением оптического микроскопа…
Скачать 1.03 Mb.
|
4. Аппаратура и методика исследования 4.1. Определение удельных объемного и поверхностного сопротивлений В данной работе применяется один из наиболее распространенных методов определения электрического сопротивления диэлектриков – закон Ома для цепи постоянного тока. Схема установки для измерения поверхностного и объемного сопротивлений диэлектриков приведена на рис. 3.6.  Основными элементами установки являются: 1. Измерительный прибор – микроамперметр, фиксирующий ток, протекающий через образец отдельно через объем либо по поверхности. 2. Повышающий автотрансформатор. 3. Выпрямитель. 4. Вольтметр, измеряющий поданное на образец напряжение (1 кВ). 5. Переключатель, обеспечивающий необходимые измерения ρV или ρS. 6. Высоковольтная камера, в которой устанавливается образец материала для измерения ρV и ρS и оснащенная тремя электродами: ВЭ – высоковольтным электродом; ОК – охранным кольцом; ИЭ – измерительным электродом, необходимым для включения образца в измерительную схему. Для определения ρV и ρS материала используются плоские квадратные образцы толщиной от 1 до 4 мм либо в виде круга диаметром около 100 мм. Поверхность образцов должна быть гладкой. На поверхность образцов с помощью трансформаторного масла притираются электроды из алюминиевой фольги толщиной не более 0,01 мм, обеспечивающие подключение образца к указанным выше электродам высоковольтной камеры. Удельное поверхностное сопротивление ρS определяется при постановке переключателя в положение ρS. При этом напряжение подводится к измерительному электроду и охранному кольцу, а высоковольтный электрод заземляется. В этом случае микроамперметр будет показывать ток, протекающий через кольцевой зазор между электродами, т.е. измерять только поверхностную составляющую тока сквозной проводимости Is. Поверхностное сопротивление образца RS и удельное поверхностное сопротивление материала – ρS рассчитываются по следующим формулам:  где U- приложенное к образцу напряжение; Is- поверхностная составляющая тока сквозной проводимости; d1- диаметр измерительного электрода; d2 - внутренний диаметр охранного кольца (кольцевого электрода). Для измерения удельного объемного сопротивления ρV переключатель ставится в положение ρV. При этом напряжение подается на измерительный электрод и на высоковольтный (нижний) электрод. Охранное кольцо заземляется. Через микроамперметр протекает только объемная составляющая тока сквозной проводимости Iv. Расчет RV и ρV ведется по формулам  где U - приложенное напряжение; IV - показание микроамперметра; S - площадь измерительного электрода; h - толщина образца диэлектрика. 4.2. Исследование влияния температуры и влажности на удельные объемное и поверхностное сопротивления Влияние температуры на ρV и ρS. Исследуемый образец вместе с высоковольтной камерой устанавливается в термостат, имеющий нагревательный элемент. Установка позволит определять величины ρV и ρS при температурах от комнатной до 100°С. Удельные сопротивления определяются при температурах от 20°С до 80°С. По полученным результатам строятся графики зависимости ρV и ρS от температуры. Влияние влажности на ρV и ρS исследуется путем сравнения исследуемых величин для образцов материалов, выдержанных в среде с разной относительной влажностью. Испытание образцов проводится по приведенной выше методике. 5. Порядок выполнения лабораторной работы 5.1. Ознакомиться с перечнем исследуемых образцов материалов и испытательным оборудованием. 5.2. Пройти инструктаж по технике безопасности при работе на лабораторной установке для определения ρV и ρS диэлектриков. 5.3. Провести замер толщины образцов и диаметра электродов. 5.4. Провести испытания образцов материалов. Полученные значения ρV и ρS свести в итоговую таблицу и по этим данным построить графики зависимости ρV и ρS от температуры относительной влажности среды для исследуемых материалов ρV и ρS = f(T) и ρV и ρS= f(B). 5.5. Измерение электрической прочности диэлектриков производиться на специальной лабораторной установке и рассчитывается по формуле 3.6. 5.6. По данным табл. 3.1 и графиков сформулировать выводы о влиянии эксплуатационных факторов на удельные электросопротивления и электрическую прочность исследуемых диэлектриков и объяснить полученные результаты. Таблица 3.1 Сводная таблица экспериментальных данных
6.1. Для какого применения диэлектриков удельное объемное и поверхностное сопротивления являются наиболее важными характеристиками? 6.2. Назовите факторы, которые оказывают наиболее существенное влияние на ρV и ρS. 6.3. Из каких составляющих складывается ток, протекающий через диэлектрик, находящийся в электрическом поле? 6.4. Какова физическая сущность тока смещения в диэлектрике? 6.5. Какова физическая сущность тока сквозной проводимости в диэлектрике? 6.6. Изобразите график временной зависимости тока, протекающего через диэлектрик, находящийся в постоянном электрическом поле с момента его включения. 6.7. Какое свойство диэлектрика характеризуют ρV и ρS 6.8. Покажите, какими путями протекает ток через диэлектрик? 6.9. Напишите формулу суммарного электрического сопротивления диэлектрика. 6.10. Чему равно удельное объемное сопротивление диэлектрика? Укажите размерность этой характеристики. 6.11. Чему равно удельное поверхностное сопротивление диэлектрика ρS? Укажите размерность этой характеристики. 6.12. Почему для характеристики электроизоляционных свойств диэлектриков чаще используют удельное объемное сопротивление ρV, а не поверхностное ρS? 6.13. Укажите диапазон значений ρV который имеют диэлектрики, применяемые на практике. 6.14. Укажите диапазон значений ρV для нейтральных и полярных диэлектриков. 6.15. Приведите примеры полярных и нейтральных диэлектриков. 6.16. Почему удельное электрическое сопротивление полярных диэлектриков меньше, чем нейтральных? 6.17. Покажите на графике зависимость ρV диэлектриков от их относительной диэлектрической проницаемости ε. 6.18. Какое влияние на электропроводность твердых диэлектриков оказывает примеси, находящиеся в материале? 6.19. Покажите на графике характер изменения ρV диэлектрика при повышении его температуры. 6.20. Покажите на графике характер изменения ρV при увлажнении диэлектрика. 6.21. Какие диэлектрики по степени взаимодействия с молекулами воды относятся к гидрофильным, а какие к гидрофобным? 6.22. Покажите на графике характер относительной влажности воздуха на ρS гидрофильных и гидрофобных диэлектриков. 6.23. Какое влияние оказывает на величину ρV и ρS величина приложенного к диэлектрику напряжения? 6.24. Какой метод определения электрического сопротивления диэлектриков применяется в данной лабораторной работе? 6.25. Почему высоковольтная камера, в которой осуществляется измерение ρV и ρS, имеет три электрода? 6.26. На каких образцах материалов осуществляется определение ρV и ρS диэлектриков? 6.27. Каким образом осуществляется исследование зависимости ρV и ρS от температуры и влажности окружающей среды? 6.28. Как вы представляете явление электрического пробоя диэлектрика? 6.29. Дайте определение характеристики диэлектрика электрическая прочность. 6.30. Напишите математическое выражение пробивной напряженности диэлектриков и укажите ее размерность. 6.31. В чем состоит разница в физическом смысле понятий пробивное напряжение UПР и пробивная напряженность ЕПР. 6.32. Какие виды электрического пробоя вам известны? 6.33. В чем заключается физический смысл электронного пробоя? 6.34. В чем заключается физический смысл теплового пробоя? 6.35. В чем заключается физический смысл электрохимического строения? Лабораторная работа № 4 Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков
Изучить влияние состава и эксплуатационных факторов на диэлектрическую проницаемость и диэлектрические потери диэлектриков, широко используемых в авиационном оборудовании и радиотехнической аппаратуре.
Важнейшим свойством диэлектриков является их способность под воздействием электрического поля поляризоваться. Поляризация представляет собой процесс ограниченного смещения связанных электрических зарядов и определенной ориентации дипольных молекул диэлектрика, находящегося в электрическом поле. В результате поляризации в диэлектрике образуется электрический заряд Q, величина которого зависит от строения диэлектрика и пропорциональна напряженности внешнего электрического поля Е. По прекращении действия электрического поля поляризация в диэлектрике постепенно исчезает. В зависимости от природы и молекулярного строения диэлектрика возможны различные виды поляризации, среди которых важнейшими являются электронная, ионная и дипольная. Электронная поляризация (рис. 4.1а) представляет собой упругую деформацию электронных оболочек атомов относительно положительно заряженного ядра. Рис. 4.1. Принцип электронной (а) и ионной (б) поляризации + – +E E а) б) Этот вид поляризации устанавливается практически мгновенно (за время порядка 10-15с), степень поляризации не зависит от температуры диэлектрика и протекает без рассеяния энергии. Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков. Ионная поляризация (рис. 4.1б) рассматривается как упругое смещение ионов, составляющих молекулу относительно друг друга. В чистом виде эта поляризация наблюдается у веществ с ионным строением (кварц, слюда, фарфор и др.). Ионная поляризация устанавливается за очень короткое время 10-13с, практически не зависит от температуры и осуществляется без рассеяния энергии. Дипольная поляризация представляет собой преимущественную ориентацию (поворот) полярных молекул (диполей) материала под действием внешнего электрического поля. Повороту отдельно взятой молекулы препятствуют соседние молекулы. Поэтому дипольная поляризация связана с преодолением сил трения между молекулами, что является следствием нагрева диэлектрика, т.е. потерям на поляризацию. Степень дипольной поляризации зависит от температуры, и этот вид поляризации протекает за значительно более продолжительное время, чем электронная или ионная. Диэлектрики, у которых наблюдается только электронная поляризация, называются нейтральными (неполярными) диэлектриками. Диэлектрики, у которых наряду с электронной существует и ионная поляризация, составляют группу ионных диэлектриков. Диэлектрики, в которых одновременно происходит и электронная и дипольная поляризация, получили название полярных (дипольных диэлектриков). Любой диэлектрик с подключенными к нему электродами, находящийся в электрическом поле, можно рассматривать как конденсатор. Заряд этого конденсатора Q (рис. 4.2.) состоит как бы из двух составляющих: из заряда Q0, который бы имел конденсатор, если бы его электроды разделял вакуум, дополнительного заряда QД обусловленного поляризацией диэлектрика, фактически находящегося между электродами. То есть Q=Q0 +QД (4.1) Рис. 4.2. Эквивалентная схема диэлектрика E Q=Q0 +QД Величина QД зависит от степени поляризации диэлектрика, которую можно определить, поделив Q на Q0. Характеристика, определяющая степень поляризации диэлектрика, называется диэлектрической проницаемостью материала ε, т.е. она показывает во сколько раз данный диэлектрик сильнее поляризуется, чем вакуум.  . (4.2)Принимая во внимание выражение (1) можно записать  . (4.3)Откуда следует, что ε любого вещества больше единицы. Величина диэлектрической проницаемости определяется, прежде всего, строением диэлектриков. Нейтральные диэлектрики имеют ε =3…4 единиц. У полярных диэлектриков ε =4…10 единиц, а у сильно полярных – несколько десятков единиц, например, у воды ε =81. У ионных диэлектриков значение диэлектрической проницаемости зависит от воздействия эксплуатационных факторов. Причем степень и характер этой зависимости для отдельных групп диэлектриков весьма различны. Зависимость диэлектрической проницаемости диэлектриков от температуры. У нейтральных диэлектриков ε от температуры зависит слабо. С повышением температуры она слегка уменьшается вследствие того, что при тепловом расширении материала уменьшается его плотность и, следовательно, снижается количество поляризующихся частиц в единице объема вещества. У полярных диэлектриков с увеличением температуры одновременно протекают два процесса: ослабевают силы трения между молекулами, препятствующие ориентации диполей, что способствует росту ε; возрастает энергия теплового хаотического движения молекул, которая препятствует упорядоченной ориентации диполей под действием электрического поля, что приводит к снижению ε. При сравнительно невысоких температурах первый процесс преобладает над вторым и ε увеличивается. По мере увеличения температуры возрастание энергии теплового хаотического движения молекул начинает преобладать перед процессом упорядоченной ориентации диполей и ε падает. Типовая зависимость ε =f(T) для полярных диэлектриков приведена на рис. 4.3. T Рис.4.3. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для полярных диэлектриков ε Влияние влажности окружающей среды на диэлектрическую проницаемость зависит от способности диэлектриков поглощать влагу (их гигроскопичности). Поглощенные диэлектриком молекулы воды принимают участие в поляризации и в результате этого диэлектрическая проницаемость увеличивается. При этом у гигроскопичных элементов это влияние проявляется более резко, чем у не гигроскопичных. Влияние частоты электрического поля на диэлектрическую проницаемость также зависит от типа диэлектрика. У нейтральных и ионных диэлектриков при увеличении частоты ε остается неизменной. Это объясняется тем, что электронная и ионная поляризация, которой они обладают, протекает практически мгновенно, в диапазоне используемых на практике частот поляризация успевает установиться. У полярных диэлектриков зависимость ε от частоты имеет сложный характер. При не высоких частотах до f ' (рис.4.4) дипольная поляризация успевает установиться, т.е. за время полупериода колебания дипольные молекулы диэлектрика успевают повернуться в соответствии с направлением электрического поля, и в этом случае рост частоты не влечет за собой изменение значения диэлектрической проницаемости. f Рис. 4.4. Зависимость диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков от частоты электрического поля ε f' f” При частотах электрического поля, превышающих f ' - f’’, время полупериода колебаний поля становится меньше времени, необходимого на установление поляризации, и поэтому диполи лишь успевают повернуться на меньший угол. Это приводит к уменьшению ε. Наконец, при высоких частотах (больших с f”, рис 4.4) время полупериода становится настолько малым, что диполи вовсе не успевают ориентироваться вслед за изменением поля. В этом случае в диэлектрике будет иметь место только электронная поляризация, при которой, как уже отмечалось, ε не зависит от частоты, т.е. остается постоянной.
Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Причиной диэлектрических потерь является наличие в диэлектрике в основном токов поляризации и сквозной проводимости. Величина диэлектрических потерь характеризуется углом диэлектрических потерь δ или тангенсом этого угла (рис. 4.5). Углом диэлектрических потерь называется угол δ, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением цепи, имеющей емкостной характер нагрузки. В случае идеального диэлектрика (диэлектрика без потерь) вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на 90°. При этом угол δ равен нулю. При наличии потерь в диэлектрике возникает активная составляющая тока, являющаяся суммой тока поляризации и тока сквозной проводимости  Рис. 4.5. Векторная диаграмма диэлектрических потерь I Iа Ip φ U0 δ Чем больше будут потери в диэлектрике, тем больше будет Iа и тем больше будет угол δ и функция этого угла tgδ=Iа/Iр. Тангенс угла диэлектрических потерь входит в формулу для определения величины, рассеиваемой в диэлектрической мощности. Р=U2·C·ω·tgδ, (4.4) где U - напряжение, приложенное к диэлектрику; С - емкость диэлектрика; ω- круговая частота: ω=2πf; f - частота электрического поля, Гц. Значение tgδ зависит от строения диэлектрика. У нейтральных диэлектриков диэлектрические потери определяются только наличием сквозной электропроводности и поэтому они у них, как правило, малы. Нейтральные диэлектрики чаще всего с успехом могут работать в высокочастотных электрических полях и поэтому называются высокочастотными. У полярных диэлектриков энергия затрачивается не только на сквозную электропроводность, величина которой больше, чем у нейтральных диэлектриков, но и на поляризацию. Поэтому диэлектрические потери в целом у полярных диэлектриков больше, чем у нейтральных. Полярные диэлектрики на высоких частотах применяются редко, только в тех случаях, когда диэлектрические потери не влияют на работу аппаратуры. Поэтому полярные диэлектрики в основном составляют группу низкочастотных диэлектриков. Величина tgδ у низкочастотных (полярных) диэлектриков составляет 10-1…10-2, а у высокочастотных (нейтральных) 10-3…10-4. Для некоторых газов tgδ может быть 10-6…10-8. Ионные диэлектрики в зависимости от их строения и качества могут быть как высоко-, так и низкочастотные. Диэлектрические потери также зависят и от влияния эксплуатационных факторов. Влияние температуры по-разному сказывается на потерях нейтрально ионных и полярных диэлектриков. У нейтральных и ионных диэлектриков tgδ с ростом температуры увеличивается. Это объясняется тем, что увеличение температуры приводит к росту тока сквозной проводимости. Так как под действием температуры проходит диссоциация молекул и, главным образом, различных примесей. Зависимость полярных диэлектриков от температуры показана на рис. 4.6. tgδ Рис. 4.6. Зависимость tgδ полярных диэлектриков от температуры T T’ Выше отмечалось, что полярные диэлектрики имеют две составляющие электропотерь: потери на поляризацию и потери на сквозную электропроводность. Так вот, при увеличении температуры сначала за счет уменьшения сил трения между молекулами и, как следствие, усиления дипольной поляризации потери растут, достигая своего максимального значения. Затем, при дальнейшем повышении температуры, вследствие влияния теплового хаотического движения молекул дипольная поляризация уменьшается, а следовательно, падают и диэлектрические потери. Так продолжается до температуры Т' (рис.4.6). Затем рост диэлектрических потерь объясняется усилением тока сквозной проводимости за счет температурной диссоциации молекул примесей и основного вещества. Влияние влаги приводит к увеличению tgδ, т.к. при этом растут потери на дипольную поляризацию молекул воды и потери на сквозную проводимость, которая увеличивается за счет диссоциации молекул примесей и основного вещества. При переменной частоте диэлектрические потери определяются согласно формуле (4.4). Поэтому tgδ зависит от величины диэлектрических потерь и частоты, т.е.  . (4.5)У нейтральных диэлектриков величина диэлектрических потерь, поскольку они определяются потерями на сквозную проводимость, с увеличением частоты растет незначительно, и tgδ с ростом частоты существенно меняться не будет. Рис. 4.7. Частотная зависимость диэлектрических потерь и тангенса угла диэлектрических потерь для полярного диэлектрика f P1tgδ P tgδ У полярных диэлектриков диэлектрические потери с ростом частоты сначала резко возрастают в связи с затратой большей энергии на ориентацию диполей. Когда же дипольная поляризация исчезает, остаются диэлектрические потери на сквозную проводимость, которые от частоты зависят слабо (рис. 4.7) Таким образом, когда имеет место дипольная поляризация, tgδ при увеличении частоты растет, а когда на первый план среди потерь выходят потери от сквозной проводимости, tgδ снижается. |
Похожие:
 | ... |  | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Лабораторная работа Выполнение расчетов с использованием программирования в среде Visual Basic for Applications (vba). 8 | | Лабораторная работа №8. Структурирование таблицы с автоматическим подведением итогов |
| Целью работы является изучение возможностей субд microsoft Access 2007 по созданию и ведению баз данных | | Целью работы является изучение возможностей субд microsoft Access 2007 по созданию и ведению баз данных |
| Исследование волокон и волокнистых материалов /^Исследование металлов, сплавов, металлических изделий | | Семинар «Методология проведения химико-токсикологического анализа (хта). Направленный и ненаправленный хта. Вещественные доказательства.... |
| Лабораторная работа №6 (статические массивы, знакомство с графическим режимом. Возможно будет изменена) 49 | | Задания на экзамен выполняются студентом в компьютерном классе при наличии конспектов под руководством преподавателя |