Реферат на тему экспериментальные исследования диэлектрических свойств материалов
Обновлено: 17.06.2024
Экспериментально определить зависимость диэлектрической проницаемости различных диэлектриков от напряженности электрического поля.
Диэлектриками (или изоляторами) называют вещества. практически не проводящее электрического тока. Объясняется это наличием в диэлектриках только связанных зарядов, не способных перемещаться, создавая ток.
Сами диэлектрики можно подразделить на полярные и неполярные.Полярныминазывают диэлектрики, которые состоят из полярных молекул, т.е. обладающих собственным дипольным моментом. Неполярные диэлектрики состоят из молекул, центры тяжести положительных и отрицательных зарядов у которых совпадают, и, следовательно, не имеют собственного дипольного момента. Но неполярные диэлектрики под действием внешнего электрического поля поляризуются вследствие смещения центров тяжести отрицательных и положительных зарядов.
Молекулы диэлектрика во внешнем электрическом поле подобны диполям. Электрическим диполем называют систему двух равных по величине и противоположных по знаку точечных электрических зарядов + q и – q находящихся на расстоянии l друг от друга. Диполь характеризуется моментом диполя
где – плечо диполя – вектор направленный по оси диполя от отрицательного заряда к положительному и численно равный расстоянию между ними.
При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит поляризация – смещение зарядов – положительных по полю, отрицательных против поля, т.е. дипольные моменты молекул будут стремиться ориентироваться вдоль силовых линий внешнего электрического поля (рис. 3.3.1) или появятся дипольные моменты в неполярных диэлектриках. В результате поляризации электрический момент единицы объема диэлектрика становится отличным от нуля:
где – вектор поляризации,
– дипольный момент i-ой молекулы.
В результате переориентации или появления дипольных моментов под действием внешнего электрического поля 0 в диэлектрике возникают нескомпенсированные связанные заряды. Появление этих зарядов приводит к появлению внутреннего электрического поля ' связанных зарядов, направленного противоположно внешнему полю 0 (рис. 3.3.2). В результате на заряды внутри диэлектрика будет действовать результирующее поле :
Для большого класса диэлектриков поляризация пропорциональна напряженности поля в диэлектрике:
где – безразмерная величина, характеризующая свойства диэлектрика,
называемая диэлектрической восприимчивостью вещества;
Кроме диэлектрической восприимчивости для характеристики диэлектрика используется диэлектрическая проницаемость , которая определяется как отношение величины внешнего электрического поля 0 в вакууме к величине результирующего поля в диэлектрике:
Диэлектрическая проницаемость связана с восприимчивостью соотношением:
Существует класс диэлектриков для которых связь между поляризацией и напряженностью не является линейной. К группе таких материалов относятся: сегнетова соль, титанат бария и др.
Отличие сегнетоэлектриков от остальных диэлектриков следующее:
– сегнетоэлектрики характеризуются очень большой величиной диэлектрической проницаемости (до сотен тысяч);
– диэлектрическая проницаемость и восприимчивость зависят от напряженности 0 внешнего электрического поля;
– поляризация сегнетоэлектрика зависит от предыстории диэлектрика, т.е. от предшествующих значений (это явление называют гистерезисом).
На рис. 3.3.3–а показана кривая зависимости поляризации P от напряженности Е0 внешнего электрического поля – петля гистерезиса, где P0 – остаточная поляризация, EС – напряженность электрического поля обратного направления, при которой исчезает поляризация сегнетоэлектрика (коэрцитивная сила). На рис. 3.3.3–б показана аналогичная зависимость для обычного диэлектрика.
Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры, и при определенных критических температурах, называемых точкой или Кюри, они исчезают и сегнетоэлектрик превращается в обычный диэлектрик.
Для определения зависимости диэлектрической проницаемости среды от напряженности Е0 электрического поля диэлектрик можно поместить между пластин плоского конденсатора, подключенного к источнику переменного тока.
Емкость такого конденсатора
где S – площадь пластины конденсатора,
d – расстояние между пластинами.
Емкостное сопротивление конденсатора
где – циклическая частота переменного тока,
–частота переменного тока.
Согласно закону Ома для участка цепи
где U –напряжение на конденсаторе,
I –ток через конденсатор.
Решая совместно уравнения (3.2.1), (3.2.2), (3.2.3), получим
Напряженность Е0 электрического поля связана с напряжением на пластинах конденсатора соотношением
Таким образом, зная геометрические размеры (S и d) конденсатора, частоту n переменного тока, падение напряжения U и ток I через конденсатор, можно определить значение диэлектрической проницаемости диэлектрика при различных значениях напряженности Е0 электрического поля.
УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
При выполнении лабораторных работ необходимо выполнять основные правила внутреннего распорядка и техники безопасности при работе в лабораториях [5].
К работе на приборах допускаются студенты только после изучения настоящих методических указаний и получения допуска у преподавателя.
Аппаратура, оборудование и материалы
Для определения зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля различных диэлектриков используется установка, функциональная схема и передняя панель которой приведены на рис. 3.3.4 и рис. 3.3.5.
Исследуемые диэлектрики (титанат бария и слюда) помещены внутри плоских конденсаторов С1 и С2, которые могут быть переключателем 2 поочередно подключены в цепь переменного ( = 50 Гц) тока . Напряжение U на конденсаторах и ток в цепи I, регулируемые потенциометром 5, регистрируются вольтметром 4 и микроамперметром 3 соответственно.
Методика и порядок выполнения работы
Изменяя напряжение U, подаваемое на конденсатор и измеряя соответствующее значение тока I, можно рассчитать по формуле (3.3.4) диэлектрическую проницаемость вещества и построить зависимость = f(E) для каждого из исследуемых диэлектриков. Значение напряженности Е электрического поля можно рассчитать по формуле (3.3.5).
В выводах сравнить абсолютные значения диэлектрической проницаемости диэлектриков и характер зависимости от напряженности электрического поля.
Содержание отчета и его форма
Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии c формой, приведенной в приложении 1.
Что происходит с полярными и неполярными молекулами диэлектриков во внешнем электрическом поле?
Каков физический смысл вектора поляризации?
Перечислите основные типы диэлектриков. Что лежит в основе этой классификации?
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.
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: где При внесении пластины в это поле диэлектрик поляризуется и на его поверхности появляются связанные заряды с поверхностной плотностью . Эти заряды создают в диэлектрике поле , направленное против внешнего поля , и имеет величину: . Результирующее поле: . В электрическом поле вектор поляризации:, где c - диэлектрическая восприимчивость вещества. Связь модуля вектора поляризации с плотностью связанных зарядов: . относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Вектор электрической индукции . Этот вектор определяется только свободными зарядами и вычисляется как . В рассматриваемой задаче на поверхности диэлектрика их нет. Вектор D связан с вектором Е следующим соотношением .
Экспериментальная часть:
В данной работе используются формулы: , где S - площадь пластины конденсатора, d - расстояние между ними. Диэлектрическая проницаемость материала: . Для емкости конденсатора имеем: , где U1 - напряжение на RC цепи, U2 - напряжение на сопротивлении R, f - частота переменного сигнала. В плоском конденсаторе напряженность связана с напряжением U1 как:
Опыт №1. Измерение диэлектрической проницаемости и характеристик поляризации материалов.
Экспериментально определить зависимость диэлектрической проницаемости различных диэлектриков от напряженности электрического поля.
Диэлектриками (или изоляторами) называют вещества. практически не проводящее электрического тока. Объясняется это наличием в диэлектриках только связанных зарядов, не способных перемещаться, создавая ток.
Сами диэлектрики можно подразделить на полярные и неполярные.Полярныминазывают диэлектрики, которые состоят из полярных молекул, т.е. обладающих собственным дипольным моментом. Неполярные диэлектрики состоят из молекул, центры тяжести положительных и отрицательных зарядов у которых совпадают, и, следовательно, не имеют собственного дипольного момента. Но неполярные диэлектрики под действием внешнего электрического поля поляризуются вследствие смещения центров тяжести отрицательных и положительных зарядов.
Молекулы диэлектрика во внешнем электрическом поле подобны диполям. Электрическим диполем называют систему двух равных по величине и противоположных по знаку точечных электрических зарядов + q и – q находящихся на расстоянии l друг от друга. Диполь характеризуется моментом диполя
где – плечо диполя – вектор направленный по оси диполя от отрицательного заряда к положительному и численно равный расстоянию между ними.
При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит поляризация – смещение зарядов – положительных по полю, отрицательных против поля, т.е. дипольные моменты молекул будут стремиться ориентироваться вдоль силовых линий внешнего электрического поля (рис. 3.3.1) или появятся дипольные моменты в неполярных диэлектриках. В результате поляризации электрический момент единицы объема диэлектрика становится отличным от нуля:
где – вектор поляризации,
– дипольный момент i-ой молекулы.
В результате переориентации или появления дипольных моментов под действием внешнего электрического поля 0 в диэлектрике возникают нескомпенсированные связанные заряды. Появление этих зарядов приводит к появлению внутреннего электрического поля ' связанных зарядов, направленного противоположно внешнему полю 0 (рис. 3.3.2). В результате на заряды внутри диэлектрика будет действовать результирующее поле :
Для большого класса диэлектриков поляризация пропорциональна напряженности поля в диэлектрике:
где – безразмерная величина, характеризующая свойства диэлектрика,
называемая диэлектрической восприимчивостью вещества;
Кроме диэлектрической восприимчивости для характеристики диэлектрика используется диэлектрическая проницаемость , которая определяется как отношение величины внешнего электрического поля 0 в вакууме к величине результирующего поля в диэлектрике:
Диэлектрическая проницаемость связана с восприимчивостью соотношением:
Существует класс диэлектриков для которых связь между поляризацией и напряженностью не является линейной. К группе таких материалов относятся: сегнетова соль, титанат бария и др.
Отличие сегнетоэлектриков от остальных диэлектриков следующее:
– сегнетоэлектрики характеризуются очень большой величиной диэлектрической проницаемости (до сотен тысяч);
– диэлектрическая проницаемость и восприимчивость зависят от напряженности 0 внешнего электрического поля;
– поляризация сегнетоэлектрика зависит от предыстории диэлектрика, т.е. от предшествующих значений (это явление называют гистерезисом).
На рис. 3.3.3–а показана кривая зависимости поляризации P от напряженности Е0 внешнего электрического поля – петля гистерезиса, где P0 – остаточная поляризация, EС – напряженность электрического поля обратного направления, при которой исчезает поляризация сегнетоэлектрика (коэрцитивная сила). На рис. 3.3.3–б показана аналогичная зависимость для обычного диэлектрика.
Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры, и при определенных критических температурах, называемых точкой или Кюри, они исчезают и сегнетоэлектрик превращается в обычный диэлектрик.
Для определения зависимости диэлектрической проницаемости среды от напряженности Е0 электрического поля диэлектрик можно поместить между пластин плоского конденсатора, подключенного к источнику переменного тока.
Емкость такого конденсатора
где S – площадь пластины конденсатора,
d – расстояние между пластинами.
Емкостное сопротивление конденсатора
где – циклическая частота переменного тока,
–частота переменного тока.
Согласно закону Ома для участка цепи
где U –напряжение на конденсаторе,
I –ток через конденсатор.
Решая совместно уравнения (3.2.1), (3.2.2), (3.2.3), получим
Напряженность Е0 электрического поля связана с напряжением на пластинах конденсатора соотношением
Таким образом, зная геометрические размеры (S и d) конденсатора, частоту n переменного тока, падение напряжения U и ток I через конденсатор, можно определить значение диэлектрической проницаемости диэлектрика при различных значениях напряженности Е0 электрического поля.
УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
При выполнении лабораторных работ необходимо выполнять основные правила внутреннего распорядка и техники безопасности при работе в лабораториях [5].
К работе на приборах допускаются студенты только после изучения настоящих методических указаний и получения допуска у преподавателя.
Аппаратура, оборудование и материалы
Для определения зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля различных диэлектриков используется установка, функциональная схема и передняя панель которой приведены на рис. 3.3.4 и рис. 3.3.5.
Исследуемые диэлектрики (титанат бария и слюда) помещены внутри плоских конденсаторов С1 и С2, которые могут быть переключателем 2 поочередно подключены в цепь переменного ( = 50 Гц) тока . Напряжение U на конденсаторах и ток в цепи I, регулируемые потенциометром 5, регистрируются вольтметром 4 и микроамперметром 3 соответственно.
Методика и порядок выполнения работы
Изменяя напряжение U, подаваемое на конденсатор и измеряя соответствующее значение тока I, можно рассчитать по формуле (3.3.4) диэлектрическую проницаемость вещества и построить зависимость = f(E) для каждого из исследуемых диэлектриков. Значение напряженности Е электрического поля можно рассчитать по формуле (3.3.5).
В выводах сравнить абсолютные значения диэлектрической проницаемости диэлектриков и характер зависимости от напряженности электрического поля.
Содержание отчета и его форма
Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии c формой, приведенной в приложении 1.
Что происходит с полярными и неполярными молекулами диэлектриков во внешнем электрическом поле?
Каков физический смысл вектора поляризации?
Перечислите основные типы диэлектриков. Что лежит в основе этой классификации?
Нижегородский Государственный Технический ниверситет.
Лабораторная работ по физике №2-30.
Экспериментальные исследования диэлектрических
Наумов Антон Николаевич
Цель работы: определение диэлектрической проницаемости и поляризационных характеристик различных диэлектриков, изучение электрических свойств полей, в них исследование линейности и дисперсии диэлектрических свойств материалов.
Схема экспериментальной становки.
В эксперименте используются следующие приборы: два вольтметра PV1 (стрелочный) и PV2 (цифровой), генератор сигналов низкочастотный, макет-схема, на которой становлен 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 становить 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: агде При внесении пластины в это поле диэлектрик поляризуется и на его поверхности появляются связанные заряды с поверхностной плотностью c - диэлектрическая восприимчивость вещества. Связь модуля вектора поляризации с плотностью связанных зарядов: D связан с вектором Е следующим соотношениема
В данной работе используются формулы: , где S - площадь пластины конденсатора, d - расстояние между ними. Диэлектрическая проницаемость материала: U1 - напряжение на RC цепи, U2 - напряжение на сопротивлении R, f - частот переменного сигнала. В плоском конденсаторе напряженность связана с напряжением U1 как: а
Опыт №1. Измерение диэлектрической проницаемости и характеристик поляризации материалов.
Читайте также: