1.6 Висновки: У ході виконання лабораторної роботи ми експериментальним шляхом визначили питомий об'ємний і поверхневий опори шести діелектриків з різним ступенем вологості й забруднення, також одержали навички в роботі із чутливими приладами. Проаналізувавши отримані результати й зрівнявши їх з довідковими значеннями відповідних величин, наведених у таблиці 1.3, видно, що майже всі досліджені нами діелектрики, крім гуми, відповідають зазначеним вище вимогам. Що стосується гуми, то потрібно відзначити, що значення її питомих поверхневих і питомого об'ємного опорів (V=0,064 ∙109 Ом∙м; S=0,05∙1011 Ом ) не відповідають стандартам, і застосування цього діелектрика для ізоляції може викликати під час роботи устаткування аварійну ситуацію небезпечну для життя людини, тому рекомендується заборонити використання даного діелектрика. Оргскло темне за значенням V=1,93 ∙1010 перебуває на границі припустимого значення, хоча значення S=1,24∙ 1011 у нормі, тому варто ретельно стежити за характеристиками цього матеріалу й вчасно замінити його.
Контрольні питання
1. Поясните розходження між електропровідністю й поляризацією, між електропровідністю й електричною провідністю.
2.Чим обумовлюється зв'язок між структурою діелектрика й типом вільних носіїв заряду в ньому?
3. Пояснити розходження між струмом протікання й наскрізним струмом діелектрика.
4. В чому полягає фізична сутність впливу зовнішніх факторів на параметри електропровідності діелектрика?
5. Чим обумовлюється електропровідність газоподібних, рідких та твердих діелектриків?
6. Які фактори впливають на електропровідність твердих діелектриків?
7. Як змінюється електропровідність діелектрика при переході з аморфного (склоподібного) стану в кристалічне?
8. Чому питома провідність полярних електроізоляційних матеріалів при рівних умовах більше, ніж у неполярних?
9. Чим викликана поверхнева електропровідність твердих електроізоляційних матеріалів?
10. Якими параметрами характеризується електропровідність діелектриків?
11. Поясните особливості включення зразка діелектрика при визначенні
та 
.12. Опишіть які способи виміру
та ви знаєте.Лабораторна робота №2
2 ДОСЛІДЖЕННЯ ПОЛЯРИЗАЦІЇ ТВЕРДИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ
2.1 Мета роботи: дослідити вплив природи матеріалу й зовнішніх умов на поляризацію твердих діелектриків.
2.2 Теоретичні відомості
В енергетиці використовується безліч різних діелектриків. За функціями, які вони виконують апаратурі й приладах, їх можна поділити на електроізоляційні й конденсаторні матеріали (пасивні діелектрики й керовані діелектрики). Електроізоляційні матеріали використовують для створення електричної ізоляції, що оточує струмоведучі частини електричних приладів і відокремлюють один від одного елементи схем або конструкції, що знаходяться під різними електричними потенціалами.
При заданій температурі значення діелектричної проникності діелектриків визначається щільністю зв'язаних зарядів, що приймають участь у процесі поляризації, і залежить від частоти електричного поля. Необхідно пам'ятати, що внесок кожного механізму в процес поляризації можливий лише до певних частот, коли зв'язаний заряд встигає стежити за змінами зовнішнього електричного поля. У зв'язку із цим в неполярних діелектриків значення діелектричної проникності залишається незмінним у діапазоні частот від нуля до 1015...1016 Гц, в іонних діелектриків із щільним упакуванням - від нуля до 1013 Гц, в полярних - від нуля до 104...1010 Гц.
Рисунок 2.1 – Залежність діелектричної проникності від температури
У випадку електронної поляризації наведений електричний момент
(
- загальна кількість атомів у речовині; 
- поляризуємість атомів) не залежить від температури. Разом з тим, внаслідок зменшення кількості поляризуючих часток в одиниці об'єму речовини, діелектрична проникність діелектрика при електронній поляризації з зростанням температури буде зменшуватися (Рисунок 2.1, крива 1).У випадку іонної поляризації поляризація молекул (пружно зв'язаних іонів) з зростанням температури зростає в результаті посилення коливань вузлів кристалічних ґраток і розширення нагрітого тіла. Температурний коефіцієнт діелектричної проникності в цьому випадку позитивний і постійний у широкому діапазоні температур (Рисунок 2.1, крива 2).
Електричний момент речовини з полярними молекулами визначається ступенем орієнтації цих молекул по напрямку зовнішнього поля. З ростом температури сили зв'язку молекул послабляються, що сприяє поляризації речовини: діелектрична проникність речовини збільшується. Однак при деяких температурах енергія теплового (хаотичного) руху молекул послабляє дію, що орієнтує, електричного поля, у результаті чого діелектрична проникність речовини зменшується (Рисунок 2.1, крива 3).
Збільшення температури матеріалу з домінуючим іонно-релаксаційним механізмом поляризації збільшує за експоненціальним законом концентрацію часток, що приймають участь у процесі поляризації. Тому температурна залежність діелектричної проникності матеріалу про іонно-релаксаційною поляризацію характеризується позитивним ТК
, що збільшується з ростом температури (Рисунок 2.1, крива 4). Опис методу виміру
Абсолютна діелектрична проникність
- це скалярна величина, обумовлена відношенням електричного зсуву 
до напруженості поля Е.
. (2.1)Відносна діелектрична проникність
- безрозмірна величина, що представляє собою відношення до електричній постійного 
:
. (2.2)У випадку плоского зразка, якщо зневажити .перекручуванням поля в краях електродів,
і Е можна виразити через заряд 
і напругу 
, (2.3)де
-площа електрода,
- товщина зразка. Тоді
, (2.4)де Сх - ємність плоского зразка.
Неважко помітити, що
. (2.5)де З0 - ємність плоского конденсатора з тими ж розмірами, але з вакуумом як діелектрик. Звідси можна зробити важливий вивід, що в самому загальному випадку діелектрична проникність
. (2.6)Аналогічно з формули ємності циліндричного зразка знаходимо
, (2.7)де Сх - ємність циліндричного зразка,
- відповідно зовнішній і внутрішній діаметри циліндра;
- довжина електрода.Надалі відносну діелектричну проникність для стислості будемо називати просто діелектричною проникністю й позначати
.Електрична постійна
. (2.8)Для плоского зразка
(2.9)для трубчастого зразка
. (2.10)Але звичайно в ході експерименту визначають відносну діелектричну проникність
, що пов'язана з абсолютною діелектричною проникністю через електричну постійну 
Ф/м співвідношенням 
. Згідно [8] відносна діелектрична проникність матеріалу визначається як відношення ємності СХконденсатора, у якому простір між електродами повністю заповнено випробовуваним діелектричним матеріалом, до ємності в такий же спосіб розташованих електродів у вакуумі:
, (2.11)При визначенні
по формулі (2.1) можна замінити межелектродну ємність у вакуумі З0на межулектродну ємність у повітрі Св , тому що 
= 1,00053.Блок-схема експериментальної установки показана на рисунку 2.2, де 1 - вимірник ємності; 2 - гвинтовий електродний пристрій; 3 - зразок досліджуваного матеріалу; 4 - термостат; б - набір конденсаторів з різними діелектричними матеріалами; 6 - перемикач (комутатор); 7 - термопарный термометр.
Рисунок 2.2 - Блок-схема експериментальної установки
При ємнісних вимірах необхідно врахувати, що електродна система може дати істотний внесок у вимірювану величину.
Опис експериментальної установки
2.3Експериментальна частина
Порядок виконання роботи
Ознайомитися із принципом роботи мосту
2.3.1 Призначення приладу
Універсальний міст типу Е 12-4 призначений для вимірювання ємностей, індуктивностей, тангенсів кутів діелектричних втрат (конденсаторів), коефіцієнтів добротності котушок на частотах 100 і 1000Гц, а також для виміру опорів.
2.3.2 Технічні дані
Межі вимірюваних величин наведені в таблиці 2.1
Таблиця 2.1 - Межі вимірюваних величин
| Піддіапазон | Опір, Ом | Ємність, Ф | Індуктивність, Гн | |||
| Частота, Гц | Частота, Гц | Частота, Гц | ||||
| 0 | 100 | 100 | 1000 | 100 | 1000 | |
| 1 | 0.1 –10 | 0.1 –10 | 4-10-3 | 5-10-4 | 4-10-3 | 5-10-4 |
| 2 | 10-100 | 10-100 | 5-10-4 | 6-10-5 | 3-10-2 | 4-10-3 |
| 3 | 100-1000 | 100-1000 | 6-10-5 | 7-10-6 | 2-10-1 | 3-10-2 |
| 4 | 103-104 | 103-104 | 7-10-6 | 8-10-7 | 10-1-1 | 2-10-1 |
| 5 | 104-105 | 104-105 | 8-10-7 | 9-10-8 | 1-10 | 10-1-1 |
| 6 | | 105-106 | 9-10-8 | 10-10-9 | 10-100 | 1-10 |
| 7 | | 106-107 | | 11-10-10 | | |
2.3.3 Принцип дії мосту
Вимірювальна частина приладу являє собою чотирьохплечний міст (рисунок 1). Перемиканням плечей мосту, одержують чотири основні вимірювальні схеми для виміру
- відповідно -мости (рисунок 2).Для одержання визначення вимірюваних величин рисунок 2, використовують наступні формули, відповідно:
, (2.12)
, (2.13)
, (2.14)
, (2.15)
. (2.16)
Рисунок 2.3 – Зображення мосту
а) б) в)
При вимірі опорів плечі мосту являють собою активні опори.
При вимірі ємностей і індуктивностей два із чотирьох плечей мосту є комплектними. Всі чотири мости мають те саме відлікове плече, що дає можливість зробити для приладу єдиний відліковий пристрій при вимірі опору, ємності й індуктивності. плече перемикання піддіапозонів «Множник» є єдиним для всіх мостів. Мости індуктивності і ємності відрізняються один від одного тим, що компенсація зрушення фаз перебуває в них у різних плечах (зміна схеми досягається комутацією мосту) і тим, що компенсація зсуву фаз для мосту ємностей здійснюється плечем з послідовним з'єднанням ємності й фазуючого опору, а для мосту індуктивності при вимірі котушок з добротністю до 80 - плечем з паралельним з'єднанням ємності й фазуючого опору.
Джерело приєднується до діагоналі 1,3, а електронний індикатор до діагоналі 2,4. Напруга джерела при вимірі
постійно, а при вимірі напруга може встановлюватися необхідної величини.При вимірі опорів на постійному струмі джерело приєднується до діагоналі 2,5, а стрілочний індикатор включається в діагональ 1,3.
При вимірі опорів рівновага встановлюється регулюванням ручок «Множник» і «Відлік». При вимірі ємностей і індуктивностей, рівновага мосту встановлюється регулюванням ручок – «Множник», «Відлік» і «
».2.3.4 Підготовка приладу до роботи
Підключити прилад в мережу змінного струму частотою 50 Гц і напругою 220В
10%Перевірте установку механічного нуля приладу і якщо потрібно, встановіть коректором стрілку в нуль.
Включити прилад тумблером «Мережа» .
Ручку «Вихідна напруга генератора» повернути до відмови вправо.
Ручку «Чутливість індикатора» повернути до відмови вліво.
2.3.5 Особливості експлуатації
При вимірі малих величин
варто враховувати опір, ємність сполучних проводів. При вимірі ємності з малим
можливо неповне зрівноважування по 
.Крім того, при вимірі ємності конденсатора до 1000 пФ, що підключається безпосередньо до клем
, необхідно враховувати початкову ємність самої мостової схеми приладу.Для виміру початкової ємності ручки
- встановити в крайнє ліве положення, ручку «Регулювання вихідної напруги» і «Чутливість» установити в крайнє праве положення.Зробити балансування мосту, тобто домогтися мінімуму показань індикатора. Показання шкали відлікового пристрою відповідає власній ємності мостової схеми.
При подальших вимірах ємності конденсатора обмірювану початкову ємність мостової схеми варто відняти з показань приладу.
2.3.6 Вимір ємності
Підключите вимірювану ємність
до клем .Встановите перемикач
у положення 
.Встановите перемикач
у положення .Встановите перемикач «Частота» у положення 100 або 1000 Гц залежно від значення вимірюваної величини, згідно таблиці 1
Перемикач із написом «Відлік» поставити в положення «3».
Ручкою «Чутливість індикатора» установити стрілку приладу в межах 2/3 шкали.
Ручкою перемикача «Множник» домогтися мінімального показання приладу.
Поступово збільшуючи чутливість до максимальної, але так, щоб стрілка приладу залишалася в межах шкали, ручками, об'єднаними написом «Відлік» і ручкою
домогтися найменшого показання на покажчику рівноваги.Зробити відлік вимірюваної величини ємності й тангенс кута втрат. Обмірювана величина ємності дорівнює сумі відліків (по шкалі перемикача відліку й по шкалі потенціометра відліку), помноженої на відповідний множник. Обмірювана величина тангенса кута втрат відлічується безпосередньо по шкалі
.При вимірах на частоті 100Гц відлік ємності повинен бути помножений на 10.При вимірах ємності в діапазоні 
мкФ відлік необхідно поділити на 10.2.2.7 Визначення відносної діелектричної проникності матеріалу
Виміряти товщину досліджуваного матеріалу
.Вставити в електродну систему зразок досліджуваного матеріалу, забезпечивши необхідний електродний тиск.
Підключити вимірник ємності до електродної системи й виміряти сумарну ємність зразка й електродної системи
.Вилучити з електродної системи зразок матеріалу.
Установити в електродній системі відстань між електродами, рівна товщині досліджуваного зразка.
Виміряти сумарну ємність повітряного проміжку й електродного пристрою
.Результати вимірів занести в таблицю 2.2.
Таблиця 2.2 Результати експериментів і розрахункові дані
| Матеріал | , мм |  ,пФ100 Гц | ,пФ 1000Гц | СВ,пФ | 100 Гц | 1000Гц | 100 гц | 1000гц | довідник | довідник |
| Текстоліт | 1,325 | 10 | 90 | 4,299 | 2,32 | 20,93 | 0,02 | 0,004 | 7,5...8,5 | 0,1… 0,14 |
| Орг.скло | 3,18 | 0,5 | 40 | 17,9 | 0,028 | 2,23 | 0,004 | 0,01 | 3,5…3,6 | 0,02… 0,06 |
| Дерево | 11,18 | 10 | 31 | 5,09 | 1,96 | 60,9 | 0,1 | 0,06 | 3,2…3,8 | 0,013…0,024 |
| Конденсаторний папір | 0,05 | 2,25 | 215 | 113 | 0,0119 | 1,9 | 0,09 | 0,11 | 3,5 | 0,01 |
| Электротехнічний картон | 0,352 | 30 | 220 | 137 | 0,21 | 1,6 | 0,1 | 0,04 | 3,5 | 0,05 |
2.2.8 Обробка результатів експерименту
Відносну діелектричну проникність визначають за формулою (2.1). Реальні ємнісні виміри не дозволяють у чистому виді визначити
й 
через додаткову ємність електродного пристрою 
. Фактичні виміри дають
і 
.Ємність електродного пристрою можна виключити, визначаючи 
. Знаючи 
і ємність повітряного конденсатора, відносну діелектричну проникність можна визначити по формулі
. (2.17)Ємність повітряного конденсатора
, (2.18)де
; 
Ф/м; 
- площа вимірювального електрода,
; - товщина зразка досліджуваного матеріалу.2.3.9Розрахункова частина
Розрахуємо ємність повітряного конденсатора
Для розрахунків використовуємо дані таблиці 2.1, також відповідно до вимірів, проведеним у результаті виконання експериментальної частини діаметр електродів d=8,2 мм.
1000 Гц
Визначаємо відносну діелектричну проникність
100 Гц 1000 Гц
2.4 Висновок
У ході виконання лабораторної роботи ми виміряли відносну діелектричну проникність, а також тангенс кута діелектричних втрат різних діелектриків за допомогою вимірювального мосту. Дані, отримані в результаті розрахунку й вимірів не точні. Оскільки значення відносної діелектричної проникності не може бути більше одиниці. Порівнявши практичні значення з довідковими, можна помітити розбіжності. Це можна пояснити тим, що виміри проводилися не на частоті 50 Гц для якої наведені довідкові дані, а на частотах 100 і 1000 Гц. На частотах 100 Гц дані вимірів більш схожі з довідковими, наприклад целюлозні матеріали (картон, папір, конденсаторний папір, дерево) при збільшенні частоти збільшують і діелектричні втрати, що робить їх непридатними при 1-10 кГц. Виміри також були неточними через внесений приладом похибки, а також неточностями при вимірі товщини, і діаметра електродів.
Виконавши дану лабораторну роботу, я навчився аналізувати можливість застосування в електротехніку діелектричних матеріалів і оцінювати втрати в діелектриках.
Завдання
Вивчити інструкцію для експлуатації використовуваних вимірювальних приладів.
Визначити відносну діелектричну проникність твердих діелектриків (за вказівкою викладача).
Досліджувати вплив температури на ємність конденсаторів з різними діелектричними матеріалами.
Зобразити графічно температурну залежність ємності конденсаторів.
Визначити тип використовуваного в конденсаторах матеріалу.
Контрольні запитання
1 Класифікувати ознаки механізмів поляризації.
2 Показати розходження між пружними й релаксаційними видами поляризації.
3 Встановити взаємозв'язок між будовою діелектрика й механізмами його поляризації.
4 Фізична сутність впливу зовнішніх факторів на поляризацію діелектрика.
5 Що характеризує діелектрична проникність?
6 чи Є діелектрична проникність постійною величиною?
7 Які фактори впливають на діелектричну проникність?
8 Які механізми поляризації існують у діелектриках?
9 По яких ознаках здійснюють класифікацію діелектриків?
10 чи Можна одержати діелектричний матеріал з нульовим температурним коефіцієнтом діелектричної проникності?
11 Які матеріали використовуються у високочастотній техніці?
12 Які матеріали використовуються в конденсаторобудуванні для підвищення ємності виробів?
Лабораторна робота №3
3 ДОСЛІДЖЕННЯ СТАТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ МАГНІТНИХ ОСЕРДЬ. ЗНЯТТЯ КРИВОЇ НАМАГНІЧЕНОСТІ ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНОЇ СТАЛІ МЕТОДОМ ВОЛЬТМЕТРА Й АМПЕРМЕТРА
3.1 Мета роботи:
Ознайомитися із принципами вимірів характеристик магнітних осердь.
Зняти статичні параметри нікель-цинкового феритового кільця.
Досліджувати вплив немагнітного зазору на статичні характеристики осердя.