Измерение диэлектрических свойств

Определение диэлектрических характеристик материалов, таких как диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери; помимо электротехнических измерений широко применяют в различных областях науки и техники, например для определения содержания влаги, для определения чистоты соединений, анализа бинарных и других систем и т. д.

На практике измерения диэлектрических характеристик материалов проводят либо при фиксированной частоте, либо измеряют комплексную диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь в широком диапазоне частот. Выбор диапазона определяется конкретной задачей.

Измерения относительной диэлектрической проницаемости веществ обычно сводятся к расчетам по измеренной емкости конденсатора с веществом и известным геометрическим размерам конденсатора.

Конденсатор представляет собой в общем случае две металлические пластины (обкладки), разделенные слоем диэлектрика. Его емкость определяется соотношением

C =^, (5.1)

d

где S — площадь обкладок, d — расстояние между обкладками, s ₀ — диэлектрическая

проницаемость вакуума (8,85-10"¹² Ф/м),е — относительная диэлектрическая проницаемость

вещества.

Для практических приложений обычно представляет интерес лишь относительная диэлектрическая проницаемость.

В идеальном конденсаторе угол сдвига фаз между током и напряжением равен 90°. Как было сказано выше в реальных диэлектриках, помещенных в электрическое поле, имеют место активные потери энергии. В результате угол сдвига фаз между током и напряжением оказывается меньше 90°. Для характеристики потерь используют понятие «угол потерь» 5 = 90° - а, где а- угол сдвига фаз между током и напряжением для конденсатора с потерями.

Эквивалентная схема конденсатора с потерями приведена на рис. 5.4.

C

R

Рисунок 5.4—Эквивалентная схема конденсатора с потерями Согласно эквивалентной схеме конденсатора с потерями, тангенс угла диэлектрических потерь равен

tgЈ =, (5.2)

2 TifCR

где f - частота переменного тока.

Если емкость и активное сопротивление выразить через геометрические размеры конденсатора, то выражение для тангенса угла потерь примет вид

tgЈ =--------------- = ^а. (5.3)

27lfsS₀Spd 27lfSE₀

Значения электропроводности о и диэлектрической проницаемости е должны быть измерены на одной частоте f.

В ряде случаев в качестве эквивалентной схемы конденсатора с потерями выбирается схема, состоящая из конденсатора без потерь С₁ и сопротивления R ₁, включенных последовательно. При этом угол потерь определяется формулой

tgS = 2ф ₁ C ₁

Если измерения выполнены при фиксированной частоте, то обе эквивалентные схемы равноправны, но при изучении поведения материалов в широком диапазоне частот требуются более сложные эквивалентные схемы.

На практике для проведения измерений необходимо, чтобы для измерительной ячейки с исследуемым веществом выполнение неравенства tg 8< 1. Если это неравенство не выполняется, то измерительные схемы требуют значительных усложнений.

Величина статической диэлектрической проницаемости е ₀ может быть определена по емкости, измеренной методом баллистического гальванометра. Данный метод позволяет измерять диэлектрическую проницаемость на постоянном токе (рис. 5.5).

Данный метод основан на том, что исследуемая емкость заряжается источника постоянного напряжении ИН до строго определенного напряжения и затем разряжается на баллистический гальванометр. Отклонение указателя пропорционально количеству электричества, прошедшего через гальванометр (гальванометр обычно калибруется в единицах заряда). Емкость конденсатора вычисляют по известному заряду и напряжению на обкладках:

C =

Q U

Дата добавления: 2014-12-08