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.
[pic]
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: [pic] где [pic]  При  внесении  пластины  в  это  поле  диэлектрик
поляризуется  и  на  его  поверхности   появляются   связанные   заряды   с
поверхностной плотностью [pic].  Эти  заряды  создают  в  диэлектрике  поле
[pic], направленное против внешнего поля [pic], и  имеет  величину:  [pic].
Результирующее поле: [pic]. В электрическом поле вектор  поляризации:[pic],
где ( — диэлектрическая  восприимчивость  вещества.  Связь  модуля  вектора
поляризации  с  плотностью  связанных  зарядов:  [pic].  [pic]относительная
диэлектрическая проницаемость диэлектрика.  Вектор  электрической  индукции
[pic]. Этот вектор определяется только свободными  зарядами  и  вычисляется
как [pic]. В рассматриваемой задаче  на  поверхности  диэлектрика  их  нет.
Вектор D связан с вектором Е следующим соотношением  [pic].
                          Экспериментальная часть:
В данной работе используются формулы:  [pic],  где  S  —  площадь  пластины
конденсатора, d —  расстояние  между  ними.  Диэлектрическая  проницаемость
материала:  [pic].  Для  емкости  конденсатора  имеем:  [pic],  где  U1   —
напряжение на RC цепи, U2 — напряжение на  сопротивлении  R,  f  —  частота
переменного  сигнала.  В  плоском  конденсаторе  напряженность  связана   с
напряжением U1 как: [pic][pic]
      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             |
  [pic]     СВ =176 пкФ;          ССТ =429 пкФ;
                 СФП=270 пкФ;     СГН=393 пкФ;           СОС=336 пкФ;
[pic]       [pic];           [pic];
                 [pic];           [pic];
Для гетинакса подсчитаем:
[pic];
[pic];                 [pic];
[pic];           [pic];
[pic];           [pic];
[pic];
                            Расчет погрешностей:
[pic];           [pic];           [pic];
[pic];
[pic];
                 [pic]
[pic] (так как [pic]).
[pic];           [pic]
                 [pic]
                Опыт № 2. Исследование зависимости ( = f(E).
 R=120Ом, f=60 кГц, d=0,002м.
[pic]       [pic]      [pic]
|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.
[pic]       [pic]            [pic]
|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.
[pic]
[pic]
 [pic]
|(,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.
[pic]
С0 =172пкФ  — без диэлектрика;
С1 = 411пкФ — стеклотекстолит толстый;
С1 = 225пкФ — стеклотекстолит тонкий.
[pic];           [pic] ;     [pic];     [pic];
[pic];      [pic];           [pic];
                       [pic]
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.