Politechnika Opolska

LABORATORIUM

Przedmiot:	Materiałoznastwo elektryczne

Kierunek studiów:	Elektrotechnika	Rok studiów:	2
Semestr:	3	Rok akademicki:	2011/2012

Temat:
Pomiary przenikalności elektrycznej względnej dielektryków.

Projekt wykonali:
Nazwisko:
1.
3.

Ocena za projekt:	Data:	Uwagi:

1. Cele ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest poznanie zjawisk fizycznych odpowiedzialnych za przenikalność elektryczną materiałów izolacyjnych, wpływu różnych parametrów na tę wielkość oraz problematyki metrologicznej związanej z jej pomiarami.

1. Wstęp teoretyczny:

Polaryzacja dielektryka - powstawanie elektrycznego momentu dipolowego dielektryka pod wpływem zewn. pola elektrycznego lub innych czynników (np. naprężeń mech., ogrzania); w dielektrykach zbudowanych z cząsteczek polarnych biegunowych polega na ich reorientacji w zewn. polu elektrycznym (polaryzacja zorientowana), z niepolarnych zaś — na deformacji powłok elektronowych atomów (polaryzacja elektronowa) lub przesunięciu całych atomów w cząsteczkach - polaryzacja atomowa, w kryształach jon. polaryzacja polega na przesunięciu dodatnich jonów sieci krystalicznej w kierunku zgodnym z kierunkiem zewn. pola elektrycznego, a jonów ujemnych w kierunku przeciwnym (polaryzacja jonowa); oprócz polaryzacji wymuszonej występuje Polaryzacja spontaniczna (ferroelektryki).

Przenikalność elektryczna – przenikalność elektryczną wyznacza się ze stosunku pojemności

$$\varepsilon_{w}\ = \ \frac{C}{C_{o}}$$

Wartość przenikalności zależy od mechanizmów polaryzacji, które występują w danym dielektryku, od stanu jego skupienia, temperatury oraz innych parametrów. Przenikalność cieczy zależy od jej budowy cząsteczkowej Wyróżniamy ciecze polarne i niepolarne, gdzie cząsteczka cieczy jest dipolem.

1. Zestawienie schematów pomiarowych, wraz ze wzorami na przenikalność dla poszczególnych układów:

Układy pomiarowe składają się z kondensatora, elektrod oraz próbek dielektryków namoczonych olejem parafinowym

1. Obliczenia:

a) Obliczona pojemność geometryczna kondensatora powietrznego:

$$C_{\text{gp}} = 0,0695 \times \frac{d^{2}}{g}\left\lbrack \text{pF} \right\rbrack$$

b) Pojemność rozproszona do otoczenia w powietrzu:

C_r = 0, 177 × d[pF]

c) powierzchnia elektrod:

$$P = \pi \times {(\frac{d}{2})}^{2}\ \left\lbrack \text{cm}^{2} \right\rbrack$$

1. Przykładowe obliczenia:

a) Pojemność geometryczna kondensatora powietrznego dla układu pomiarowego A:

$$C_{\text{gp}} = 0,0695\frac{{9,3}^{2}}{0,08} = 75,14\ \lbrack\text{pF}\rbrack$$

b) Pojemność geometryczna kondensatora powietrznego dla układu pomiarowego B i C:

$$C_{\text{gp}} = 0,0695\frac{{5,4}^{2}}{0,08} = 25,33\ \lbrack\text{pF}\rbrack$$

d) Pojemność rozproszona do otoczenia w powietrzu dla układu pomiarowego A:

C_r = 0, 77 × 9, 3 = 7, 16 [pF]

e) Pojemność rozproszona do otoczenia w powietrzu dla układu pomiarowego B i C:

C_r = 0, 77 × 5, 4 = 4, 15 [pF]

f) Pole powierzchni elektrod dla układu pomiarowego A:

$$P = \pi \times {(\frac{9,3}{2})}^{2} = 67,92\ \left\lbrack \text{cm}^{2} \right\rbrack$$

g) Pole powierzchni elektrod dla układu pomiarowego B i C :

$$P = \pi \times {(\frac{5,4}{2})}^{2} = 22,90\ \left\lbrack \text{cm}^{2} \right\rbrack$$

5. 1.Obliczenia przenikalności:

$$\varepsilon_{w_{A}} = \frac{496 - \left( 0,058\lg\frac{1,5}{0,08} + 0,0185 \right) \times 67,93 - 7,16}{75,16} = 6,42\ \lbrack\frac{F}{m}\rbrack$$

$$\varepsilon_{w_{B}} = \frac{214 - 0,077 \times 22,9 \times \lg\frac{3,8}{0,08} - 4,15}{25,33 + 0,0405 \times 22,9} = 7,88\ \lbrack\frac{F}{m}\rbrack$$

$$\varepsilon_{w_{C}} = \frac{178 - 0,058 \times 22,9 \times \lg\frac{1,5}{0,08} - 4,15}{25,33 + 0,0185 \times 22,9} = 6,68\ \lbrack\frac{F}{m}\rbrack$$

5. Tabelaryczne zestawienie wyników pomiarów i obliczeń:

Materiał	Układ pomiarowy	g	d	D	P	Cmd	Cr	Cgp	ε	εśr
		[cm]	[cm]	[cm]	[cm^2]	[pF]	[pF]	[pF]	-	-
papierowo- fenolowaPeFkl.E	A	0,08	-	9,3	67, 93	496	7, 16	75, 14	6,42	7,0
	B	0,08	5,4	-	22, 90	214	4, 15	25, 33	7,88
	C	0,08	5,4	-	22, 90	178	4, 15	25, 33	6,68
bawełniano- fenolowaTcFkl.B	A	0,08	-	9,3	67, 93	535	7, 16	75, 14	6,94	7,68
	B	0,08	5,4	-	22, 90	237	4, 15	25, 33	8,75
	C	0,08	5,4	-	22, 90	195	4, 15	25, 33	7,70
szklano- epoksydowa TSEkl.B	A	0,05	-	9,3	67, 93	467	7, 16	120, 22	3,77	4,54
	B	0,05	5,4	-	22, 90	212	4, 15	40, 53	4,93
	C	0,05	54	-	22, 90	208	4, 15	40, 53	4,54
szklano- epoksydowa TSEkl.F	A	0,11	-	9,3	67, 93	243	7, 16	54, 65	4,21	5,16
	B	0,11	5,4	-	22, 90	118	4, 15	18, 42	5,74
	C	0,11	5,4	-	22, 90	110	4, 15	18, 42	5,16
warstwowa szklano-epoksydowa kl.H	A	0,04	-	9,3	67, 93	515	7, 16	150, 28	3,33	3,73
	B	0,04	5,4	-	22, 90	231	4, 15	50, 67	4,32
	C	0,04	5,4	-	22, 90	187	4, 15	50, 67	3,73
szklano- silikonowa TSS kl.H	A	0,05	-	9,3	67, 93	261	7, 16	120, 22	2,05	2,50
	B	0,05	5,4	-	22, 90	118	4, 15	40, 53	2,66
	C	0,05	5,4	-	22, 90	120	4, 15	4, 53	2,50

5. Wnioski:

Zadanie polegało na zbadaniu przenikalności elektrycznej dielektryków dla różnych układów i rodzajów elektrod. Badaliśmy przenikalność dielektryków stałych, w których występują polaryzacje typu indukowanego i refleksyjnego. Przenikalność elektryczna dielektryków zależała głównie od takich czynników jak temperatura, częstotliwość oraz budowy dielektryka i mechanizmów polaryzacji. Przenikalność elektryczna dielektryków, który badaliśmy zawiera się w przedziale 4,5-20 a więc są to ciała o budowie amorficznej jonowej, lub krystalicznej 5-13. Obie grupy posiadaj dodatni współczynnik temperaturowy. Najlepszą przenikalnością elektryczną okazała się bawełniano-fenolowa 7,68$\lbrack\frac{F}{m}\rbrack$ z kolei najgorszą Szklano-sylikonowa TSS kl. H 2,5$\lbrack\frac{F}{m}\rbrack$