11930

Исследование зависимости тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости от температуры

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 Исследование зависимости тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости от температуры Цель работы: исследовать зависимость тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости от температуры. ...

Русский

2013-04-14

420 KB

158 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Исследование зависимости тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости от температуры

Цель работы: исследовать зависимость тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости от температуры.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. Ознакомиться с образцами диэлектрических материалов.

2. Изучить основные электрические свойства диэлектрических материалов.

3. Определить диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь исследуемых материалов при различных температурах.

4. Построить зависимости tgδ и диэлектрической проницаемости от температуры.

5. Рассчитать температурный коэффициент емкости  для исследуемых материалов и построить зависимости .

6. Рассчитать температурный коэффициент диэлектрической проницаемости  для исследуемых материалов и построить зависимости .

7. Оформить отчет.

Основные теоретические положения

Диэлектрические материалы являются основными видами электротехнических материалов, с которыми придется встретиться на практике энергетикам. Эти материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей энергооборудования. Они включают в себя такие разнообразные типы электрической изоляции как: воздух в линиях электропередач и электроаппаратах; нефтяные и искусственные масла в трансформаторах, кабелях и конденсаторах; твердые диэлектрики в изоляторах воздушных линий (ВЛ), конденсаторах, установочных изделиях и корпусах аппаратов и т.п. При этом физические условия, в которых должна находиться и функционировать изоляция, накладывают определенные требования на физико-химические параметры материала, ограничивая возможные вид и тип используемых электротехнических материалов.

Диэлектрики практически не содержат свободных зарядов, однако любое вещество состоит из электрически заряженных частиц, которые находятся в связанном состоянии. При помещении в электрическое поле они смещаются на небольшие расстояния, что в свою очередь приводит к возникновению своего собственного электрического поля вещества направленного против внешнего электрического поля. Таким образом, результирующее поле оказывается ослабленным. Величину, во сколько раз ослабляется электрическое поле в веществе по сравнению с полем в вакууме, называют диэлектрической проницаемостью материала. А процесс смещения связанных зарядов, приводящий к возникновению собственного поля вещества называют поляризацией. Разная физическая природа связанных зарядов определяет существенные отличия процессов поляризации для различных веществ.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассеянием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика. В нагреве технического диэлектрика могут участвовать содержащиеся в нем немногочисленные свободные заряды, обусловливающие возникновение под воздействием электрического напряжения малого сквозного тока, проходящего через толщу диэлектрика и по его поверхности. Наличие сквозного тока говорит о явлении электропроводности технического диэлектрика, численно характеризуемого значениями удельной объемной электрической проводимости и удельной поверхностной электрической проводимости, являющимися обратными соответствующим значениям удельных объемного и поверхностного электрических сопротивлений.

Практически все свойства материалов зависят от температуры. Обычно это учитывается введением температурного коэффициента. Строго математически для какого-либо свойства х он вводится выражением

.

Нередко для оценки зависимости диэлектрической проницаемости диэлектриков, а также  емкости  конденсаторов  от  температуры  указывается  температурный коэффициент диэлектрической проницаемости:

                                      (1)

и температурный коэффициент емкости:

.                                          (2)

Температурные коэффициенты имеют единицу измерения град -1. Если температура рассчитывается по Кельвину, то размерность записывают как К-1.

Газообразные вещества характеризуются весьма малой плотностью вследствие больших расстояний между молекулами. Поэтому поляризация всех газов незначительная, и относительная диэлектрическая проницаемость их близка к единице. Поляризация газа может быть чисто электронной или же дипольной, если молекулы газа полярны. Но даже и для полярных газов основное значение имеет электронная поляризация. Относительная диэлектрическая проницаемость газов тем выше, чем больше радиус молекулы.

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и давления определяется изменением числа молекул в единице объема газа. Это число пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре. При повышении влажности воздуха при нормальных температуре и давлении относительная диэлектрическая проницаемость незначительно увеличивается. При повышенной температуре это увеличение становится более заметным.

Жидкие диэлектрики могут быть построены из неполярных или полярных молекул. Значение относительной диэлектрической проницаемости неполярных жидкостей невелико и обычно не превышает значения 2,5. Например, для трансформаторного масла  = 2,1− 2,4. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости от температуры для неполярной жидкости связана с уменьшением числа молекул в единице объема.

Значение  для полярных жидкостей лежит в пределах от 3,5 до 5. Например, совол имеет значение  − 5.

Температурная зависимость  для полярных жидкостей имеет более сложный характер, чем для неполярных (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости от температуры

для полярной жидкости – совола

1 – f1 = 50 Гц; 2 – f2 = 400 Гц; 3 – f3 = 1000 Гц

Сильно полярные жидкости характеризуются очень высоким значением относительной диэлектрической проницаемости, например вода, этиловый спирт, не могут найти практического применения в качестве диэлектриков вследствие их большой проводимости. Так, дистиллированная вода имеет  = 80.

Диэлектрическая проницаемость твердых тел может принимать самые различные числовые значения в соответствии с разнообразием структурных особенностей твердого диэлектрика. В твердых телах возможны все виды поляризации.

Для твердых неполярных диэлектриков характерны те же закономерности, что и для неполярных жидкостей и газов. Это подтверждается зависимостью диэлектрической проницаемости от температуры, показанной на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры

для неполярного диэлектрика парафина

При переходе парафина из твердого состояния в жидкое (температура плавления около 54°С) происходит резкое уменьшение диэлектрической проницаемости вследствие сильного понижения плотности вещества.

Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц, обладают электронной и ионной поляризациями и имеют диэлектрическую проницаемость, лежащую в широких пределах. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ионных кристаллов в большинстве случаев положителен.

Исключением являются кристаллы, содержащие ионы титана:   рутил (TiО2) и некоторые титанаты. У них отрицательный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости (). Отрицательный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости этих кристаллов объясняется преобладающей в них электронной поляризацией, усиленной под влиянием добавочного внутреннего поля при ионном смещении.

Твердые диэлектрики, представляющие собой ионные кристаллы с неплотной упаковкой частиц (в которых наблюдается, помимо электронной и ионной, также и ионно-релаксационная поляризация), характеризуются в большинстве случаев сравнительно невысоким значением диэлектрической проницаемости и её большим положительным температурным коэффициентом. Примером может служить электротехнический фарфор, зависимость диэлектрической проницаемости которого от температуры показана на рис. 3.

Рис. 3. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости

электротехнического фарфора

Для неорганических стекол (квазиаморфных диэлектриков) диэлектрическая проницаемость лежит в сравнительно узких пределах, примерно от 4 до 20, причем температурный коэффициент диэлектрической проницаемости всегда имеет положительное значение.

Полярные органические диэлектрики обнаруживают дипольную поляризацию в твердом состоянии. К таким диэлектрикам относятся целлюлоза и продукты ее переработки, полярные полимеры. Дипольная поляризация наблюдается также у льда. Диэлектрическая проницаемость указанных материалов в большой степени зависит от температуры и от частоты приложенного напряжения.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков велика и имеет резко выраженную зависимость от напряженности поля и от температуры. К сегнетоэлектрикам относятся сегнетова соль, титанат бария, кислый фосфорнокислый калий и другие. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры у сегнетоэлектриков имеет резко выраженный максимум при температуру 125 °С. Температура, при которой имеет максимум, называется температурой (точкой) Кюри. В области температур выше точки Кюри теряются сегнетоэлектрические свойства материала, в частности исчезает зависимость от напряженности электрического поля.

В сегнетоэлектриках наблюдается явление электрического старения, выражающееся в уменьшении диэлектрической проницаемости со временем. Особенно резкое изменение диэлектрической проницаемости со временем наблюдается в сегнетоэлектриках при температурах, близких к точке Кюри.

Нагревание сегнетоэлектрика до температуры выше точки Кюри и последующее охлаждение возвращают диэлектрическую проницаемость к нормальному значению.

Значение  для различных температур чаще всего находят методом графического дифференцирования кривой (при ), как показано на рис. 1. Например, для определения   при температуре  и заданной частоте  проводят касательную к кривой в интересующей точке (А) и строят на этой прямой, как на гипотенузе, прямоугольный треугольник произвольных размеров.

Отношение его катетов с учетом масштабов  и , деленное на значение в точке А, даст искомое значение температурного коэффициента:

.

Этот метод применим для определения  при любом механизме поляризации и для зависимости любой формы.

Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:

- диэлектрические потери, обусловленные поляризацией;

- диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью;

- диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры;

- ионизационные диэлектрические потери.

Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией, особенно отчетливо наблюдаются в диэлектриках дипольной структуры, обладающих релаксационной поляризацией. В температурной зависимости мощности потерь и  релаксационных диэлектрических потерь наблюдается максимум при некоторой температуре, характерной для данного вещества (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость рассеиваемой мощности и  от температуры для дипольного диэлектрика

При этой температуре время релаксации, или, другими словами, время ориентации диполей диэлектрика, совпадает с периодом изменения приложенного переменного электрического поля. Полярные молекулы в течение одного полупериода питающего напряжения поворачиваются на максимальный угол, а в течение другого полупериода, когда направление электрического поля противоположное, ориентируются также в противоположном направлении. Таким образом, полярная молекула, непрерывно следуя за изменением электрического поля, поворачивается на максимальный угол, диэлектрические потери Ра и  достигают максимума. При меньшей температуре вязкость диэлектрика увеличивается, и время релаксации диполей становится значительно больше полупериода изменения приложенного переменного напряжения. Движение частиц будет менее интенсивным, и потери уменьшатся. При высокой температуре время релаксации частиц будет значительно меньше полупериода изменения приложенного переменного напряжения. В результате чего потери также снизятся. Дальнейшее возрастание  с повышением температуры объясняется ростом электропроводности.

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную электропроводность. Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью диэлектрика, возрастают с температурой по экспоненциальному закону. Изменяется  в зависимости от температуры по тому же закону, что и потери в диэлектрике.

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры, наблюдаются в слоистых диэлектриках из пропитанной бумаги и ткани, а также в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике, в производных слюды − микаленте, микалексе и т. п. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков и особенностей содержащихся в них компонентов общей формулы расчета диэлектрических потерь в этом случае не существует.

В электроизоляционной технике применяется большое количество композиционных материалов, обладающих неоднородной структурой. В одних случаях это определяется требованиями механической прочности (волокнистость), в других − удешевлением стоимости и приданием необходимых свойств (наполнители в пластмассах и резинах), в третьих − использованием ценных отходов (слюдяные материалы). Потери и  в таких материалах имеют сложные зависимости.

Диэлектрические потери в неполярных жидкостях обусловлены только электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами. Удельная проводимость нейтральных чистых жидкостей чрезвычайно мала, благодаря чему малы и диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное трансформаторное масло,  которого при частоте 50 Гц составляет около 0,001.

Диэлектрические потери в полярных жидкостях связаны с дипольно-релаксационной поляризацией. Дипольные молекулы, следуя за изменением электрического поля, поворачиваются в вязкой среде и вызывают потери электрической энергии. Эти потери значительно превосходят потери, обусловленные электропроводностью. Например, полярная жидкость совол имеет при частоте 50 Гц значение  = 0,02.

Потери в полярных жидкостях сильно зависят от температуры, так как с температурой изменяется вязкость жидкости, а время релаксации диполей прямо пропорционально вязкости. При увеличении температуры вязкость диэлектрика уменьшается по экспоненциальному закону. Если вязкость жидкости достаточно велика, молекулы не успевают следовать за изменением поля и дипольная поляризация практически исчезает. Диэлектрические потери при этом будут малы. Если вязкость жидкости мала и ориентация молекул происходит без трения, то дипольные потери также будут малы. При средней вязкости дипольные потери могут быть существенными и при некотором значении вязкости имеют максимум.

Применяемые в технике жидкие диэлектрики часто являются полярными или представляют собой смеси неполярных и полярных веществ (например, масляно-канифольные компаунды). На рис. 5 представлена зависимость  от температуры для масляно-канифольного компаунда при двух значениях частоты  f.

Рис. 5. Зависимость  от температуры при разных частотах для

масляно-канифольного компаунда

При повышении частоты максимум смещается в область более высокой температуры. Это объясняется тем, что большая частота требует меньшего времени релаксации, необходимого для получения максимума угла потерь, а для этого должна быть меньше вязкость, т. е. выше температура. Минимум значения  на рис. 5 соответствуют температурам, при которых вязкость жидкости становится настолько малой, что ориентация диполей происходит практически без трения. Потери в этом случае очень малы. Дальнейшее увеличение  с повышением температуры объясняется ростом электропроводности. Именно она определяет механизм диэлектрических потерь при повышенных температурах.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках зависят от структуры диэлектриков. В твердых диэлектриках возможны все виды диэлектрических потерь.

В случае неполярных молекул в веществах, не имеющих примесей, диэлектрические потери ничтожно малы. К таким диэлектрикам относятся неполярные полимеры − полиэтилен, политэтрафторэтилен (фторопласт-4), полистирол и др. Они находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков.

Диэлектрики с полярными молекулами представляют собой главным образом органические вещества. К ним относятся материалы на основе целлюлозы (бумага, картон); полярные полимеры: полиметилметакрилат (органическое стекло), полихлорвинил, полиамиды (капрон), полиуретаны, каучуковые материалы (эбонит), феноло-формальдегидные смолы (бакелит) и др. Потери в этих диэлектриках существенно зависят от температуры (см. рис. 4). При некоторых температурах, как у полярных жидкостей, обнаруживаются максимум и минимум потерь. Возрастание потерь после минимума объясняется увеличением потерь от сквозной электропроводности.

Диэлектрические потери твердых веществ ионной структуры связаны с особенностью упаковки ионов в кристаллической решетке. В веществах кристаллической структуры с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. В веществах с неплотной упаковкой ионов наблюдается релаксационная поляризация, вызывающая повышенные диэлектрические потери.

Диэлектрические потери в аморфных веществах ионной структуры − неорганических стеклах − связаны с явлением поляризации и наличием электропроводности. Последняя проявляется обычно при температурах 50−100 °С.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем у обычных диэлектриков.

Диэлектрические потери в твердых веществах неоднородной структуры. К таким диэлектрикам принадлежат материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов с разными электрическими свойствами. К числу неоднородных материалов следует отнести керамику, представляющую собой сложную многофазную систему, а также слюду, обладающую слоистой структурой. К диэлектрикам неоднородной структуры относится также и пропитанная бумага, которая кроме волокон целлюлозы содержит также пропитывающее вещество и оставшиеся незаполненными при пропитке воздушные включения.

В качестве примера на рис. 6 приведена зависимость  от температуры для конденсаторной бумаги, пропитанной компаундом (80 % канифоли и 20 % трансформаторного масла). Такая пропитанная бумага относится к диэлектрикам с неоднородной структурой, и диэлектрические потери определяются электрическими свойствами обоих компонентов. Как видно из рис. 6, зависимость  от температуры имеет два максимума: первый (при низких температурах) характеризует дипольно-релаксационные потери самой бумаги (целлюлозы), второй (при более высокой температуре) обусловлен дипольно-релаксационными потерями пропитывающего компаунда.

Рис. 6. Зависимость  от температуры при разных частотах для

пропитанной компаундом конденсаторной бумаги

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Модуль «Функциональный генератор», модуль «Магнитомягкие материалы. Температурный коэффициент сопротивления / емкости», модуль «Модуль питания и USB осциллограф», минимодуль «ТКЕ конденсаторов», модуль «Измеритель RLC», модуль «Мультиметры», соединительные проводники

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучить теоретический материал, достаточный для выполнения лабораторной работы. Ответить на контрольные вопросы и получить у преподавателя допуск к проведению лабораторной работы.

2. Согласно рисунку 7 выполнить электрические соединения модулей для измерения тангенса диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости твёрдых диэлектриков. Монтаж схемы производить при отключенном питании.

Рис. 7. Электрическая схема соединений

В качестве источника питания, для нагрева опытного образца, использовать нерегулируемый выход «+15В» модуля питания (на время настройки измерителя RLC не соединять общий проводник модуля питания и схемы). В качестве Р1 использовать измеритель RLC, в качестве Р2 − мультиметр в режиме измерения температуры «°С». Подключить выводы термопары минимодуля «ТКЕ конденсаторов» к контактам «ТЕМР» мультиметра.

3. После проверки правильности соединений схемы преподавателем или лаборантом, подать напряжение питания на комплект, включением автоматического выключателя и УЗО модуля «Модуль питания и USB осциллограф».

Включить измеритель RLC,  установить режим измерения емкости, о чем будет свидетельствовать символ «F» − фарады в нижнем правом углу дисплея. Установить частоту тест сигнала 1кГц (120 Гц) нажатием кнопки. Установить режим измерения диэлектрических потерь, данный режим измерения индицирует символ «D» в верхней части дисплея.

4. Для начала эксперимента необходимо соединить общий проводник модуля и нагревательного элемента минимодуля (рис. 7).

Заносить значения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь в таблицу 1 через каждые 5 °С. Измерения проводить до 100 °С. НЕ ДОПУСКАЕТСЯ НАГРЕВАТЬ ОБРАЗЦЫ ВЫШЕ 100 °С.  

5. Повторить измерения для всех выданных образцов. Результаты измерений записать в таблицу 1.

6. Рассчитать диэлектрическую проницаемость  образцов и занести в таблицу 1.

Таблица 1

t, 0С

Образец 1

Образец 2

, Ф

, Ф

20

25

100

7. По полученным экспериментальным данным построить зависимости емкости всех образцов от температуры. Масштаб и начало отсчета по оси ординат выбирать такими, чтобы получить на графиках заметное изменение емкости для всех образцов.

8. По полученным экспериментальным данным построить температурные зависимости tgδ и всех образцов.

9. Рассчитать температурный коэффициент емкости  для исследованных образцов, пользуясь выражением (2). Значение производной dC/dt найти путем графического дифференцирования кривой С(t). Построить зависимости температурного коэффициента емкости  от температуры для всех исследованных материалов.

10. По полученным данным, пользуясь формулой (1) рассчитать температурный коэффициент диэлектрической проницаемости  для всех исследованных материалов. Построить зависимости температурного коэффициента диэлектрической проницаемости  от температуры для всех исследованных материалов.

11. Сравнить диэлектрики, основываясь на полученных температурных зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости. Сделать вывод о целесообразности применения диэлектрика в том или ином случае.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие факторы влияют на значение емкости конденсаторов с различными диэлектриками?

2. Как зависит  при электронной и ионной поляризации от температуры и частоты?

3. Как зависит  при дипольной поляризации от температуры и частоты?

4. Что такое температурный коэффициент диэлектрической проницаемости?

5. Какие виды потерь существуют в электроизоляционных материалах?

6. Как зависит tgδ от температуры, если потери в диэлектрике обусловлены сквозной электропроводностью и поляризацией?

PAGE   \* MERGEFORMAT 1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71886. Инновационная стратегия 15.26 KB
  В конечном счете весь аппарат выявлений закономерностей можно свести к пяти методам: Метод структурно-морфологического анализа – для выявления внутреннего состава предметной области для фиксации появления принципиально новых разработок.
71887. Этапы планирования инновационной стратегии 15.23 KB
  Формулировка общей цели организации. При этом учитывают основное направление деятельности фирмы, рабочие принципы во внешней среде (торговли, отношения к потребителю, ведения деловых связей и т.д.), культуру организации, ее традиции и микроклимат.
71888. Стратегическое планирование 15.37 KB
  Стратегическое планирование преследует две основные цели: 1 эффективное распределение и использование ресурсов внутренняя стратегия 2 адаптация к внешней среде внешняя стратегия. Этапы планирования инновационной стратегии: Формулировка общей цели организации.
71889. Стратегии развития предприятия 14.78 KB
  В зависимости от поведения менеджеров различают следующие виды инновационной стратегии: традиционная стратегия пассивная возможно применение в краткосрочном периоде в целях экономии средств но в долгосрочном периоде –- неэффективна оппортунистическая предприятия занимается...
71890. Задачи и основные принципы экспертизы 16.67 KB
  Существуют три основных метода экспертизы инновационных проектов финансируемых из бюджета: Описательный -– суть состоит в том что рассматривается потенциальное воздействие результатов осуществляемых проектов на ситуацию на определенном рынке товаров и услуг.
71891. Методы отбора инновационных проектов 16.63 KB
  Инновационные проекты представленные инвесторам должны быть сопоставимы по: 1 качественным параметрам инноваций; 2 фактору времени; 3 уровню цен тарифов маркетинговой проработке условиям оплаты труда.
71892. Виды эффекта от использования инноваций 15.17 KB
  Экономическая ценность инноваций определяется ростом прибыльности расширением масштабов бизнеса и возможностей накопления для последующего реинвестирования капитала. Оценивая результаты инноваций можно использовать систему взаимосвязанных эффектов: научно-технический эффект...
71893. Французский классический пейзаж XVII века Н. Пуссен, К. Лоррен 16.1 KB
  В ученические годы 1612-1623 уже проявился определенный интерес Пуссена к античному искусству и искусству Возрождения. Римская античность Рафаэль живопись болонцев вот наиболее сильные впечатления Пуссена.
71894. Общая экономическая эффективность инноваций - система показателей 15.53 KB
  Интегральный эффект чистый дисконтированный доход чистая приведенная или чистая современная стоимость чистый приведенный эффект Эинт представляет собой величину разностей результатов и инновационных затрат за расчетный период приведенных к одному моменту времени то есть с учетом дисконтирования...