Лабораторна робота 14

Вивчення діелектричної проникненості волокон

Мета роботи- вивчення установки і методики дослідження діелектричних характеристик ниток (волокон).

14.1. Стислі теоретичні відомості

Діелектричні властивості текстильних матеріалів характеризують їх здатність реагувати на зовнішнє електричне поле. Залежно від температури, частоти і амплітуди напруженості зовнішнього електричного поля характеристики діелектричних властивостей матеріалів різної молекулярної і надмолекулярної структури змінюються по-різному. Тому визначення діелектричних характеристик текстильних матеріалів в широкому інтервалі температур і частот зовнішнього електричного поля дає можливість вивчити особливості молекулярної будови речовин, що становлять текстильні матеріали, молекулярну взаємодію і явища релаксацій в них ( рис. 14.1, 14.2).

V R

С R I С

V

I V I V ωC

I ωR

δ δ V

IR

φ φ V/R

δ δ

А б

Рис. 14.1. Послідовна (а) і паралельна (б) еквівалентні схеми і векторні діаграми конденсора з втратами

Однією з основних характеристик електричних властивостей матеріалу є його діелектрична проникненість, яка звичайно характеризується відносною діелектричною проникненістю (діелектричною сталою) ε:

ε = C / С₀

де С - місткість конденсатора, заповненого досліджуваним матеріалом;

С₀ - місткість конденсатора з повітряним діелектриком.

У разі ідеального конденсатора (без втрат) в ланцюзі змінного струму між струмом і напругою має місце зсув по фазі на 90⁰. В реальному діелектрику, поміщеному в електричному полі, виникають втрати енергії, що перетворюється на теплову. Внаслідок цього зменшується кут здвигу фаз між струмом і напругою.

Характеристикою втрат електричної потужності змінного струму в діелектриці є тангенс кута втрат. Кутом втрат називається кут δ, доповнюючий кут між струмом і напругою в ланцюзі конденсатора до 90⁰.

На рис. 14.1 приведені еквівалентні схеми і векторні діаграми конденсатора з втратами, тобто конденсатора ідеальної місткості, послідовно або паралельно сполученого з активним опором, обумовлюючого виникнення еквівалентних втрат.

Рис. 14.2. Криві частотної (а) і температурної (б) залежності діелектричних характеристик

При цьому для рис. 14.1, а:

tg δ = ωRC

для рис. 14.1, б:

tg δ = 1/ (ωRC)

де δ - кут втрат;

ω - кутова частота струму;

R - активний опір;

C - місткість конденсатора.

δ = 90⁰ - φ

де φ - кут зсуву між струмом і напругою для реального конденсатора.

Якщо волокна, що містять полярні групи, помістити в електричне поле, то спостерігається орієнтація сегментів (ланок) макромолекул і більш дрібних кінетичних одиниць, що забезпечує визначення діелектричної проникненості і діелектричних втрат. В певних інтервалах температур і частот крива залежність tgδ(f)_Т і tgδ(Т)_f проходить через максимум, а на кривих ε´(f)_Т і ε´(Т)_f з'являється перегин (рис. 14.2).

На величину діелектричних втрат роблять вплив багато чинників: хімічна будова текстильних волокон, ступінь їх кристалізації, орієнтація надмолекулярної структури і ін. Все це необхідно враховувати при аналізі результатів дослідження.

Температурно-частотні дослідження діелектричних параметрів текстильних волокон проводяться на спеціальній установці, блок-схема якої приведена на рис. 14.3.

Низькочастотний генератор сигналів ЗГ - 56/1		Міст для вимірювання місткості ВМ - 4006		Індикатор нуля Ф - 550
Термолегулятор	Термостат з вимірювальним осередком

Рис. 14.3. Блок-схема установки для діелектричних досліджень

Генератор частоти є низькочастотним генератором сигналів 3Г - 56/1 з діапазоном частот від 20 Гц до 200 Гц. Він призначений для подачі синусоїдальної напруги на вимірювальний міст. В плече вимірювального моста включений конденсатор С_х, в якому діелектриком служить досліджуваний матеріал (текстильні нитки або волокна).

б

С_х С₁

а в

R₂

R₁

С

Рис. 14.4. Принципова схема моста Шерінга (живлення змінною напругою з частотою, на якій проводяться вимірювання)

Вимірювальний осередок з досліджуваною речовиною (змінна місткість С_х) включають в плече (аб) моста. Змінна напруга із заданою частотою подається в одну з діагоналей моста (бг), а в іншу діагональ (ав) включений індикатор нуля.

При урівноваженні моста змінними опором R₁ і місткістю С₂ досягають рівності нулю струму в діагоналі (ав); на екрані осцилографа індикатора нуля з'являється пряма лінія. З умови С_хR₁ = C₁R₂ визначають:

невідому місткість:

С_х = С₁R₂ / R₁

і тангенс кута втрат:

tg δ = 1 / (ω R₁ C₂)

Компенсація tgδ здійснюється за допомогою конденсатора змінної місткості С₂. Більш високі значення tgδ компенсуються за допомогою опорів, включених послідовно з еталонним конденсатором.

Індикатор нуля Ф - 550 є високочутливим електронним виборчим підсилювачем змінного струму, що працює в діапазоні 20 - 10⁵ Гц. Прилад застосовується як покажчик рівноваги в мостових схемах (включений в діагональ моста рис. 14.4).

Як індикатор рівноваги моста в приладі використовується електронно-променева трубка з розгорткою по горизонталі (вісь Х) від генератора звукового сигналу 3Г - 56/1. На вхід індикатора нуля (відхилення променя по вертикалі - вісь У) подається напруга розбалансу моста. Коли міст збалансований, вхідна напруга по осі У дорівнює 0 і на екрані осцилографа видна горизонтальна лінія.

Термостат і регулятор температури забезпечують термостатування вимірювального осередку в інтервалі температур 35 - 300 ⁰С з точністю 0,4 ⁰С. Задана температура виставляється поворотом барабана реохорда на передній панелі приладу.

Вимірювальний осередок є двома круглими вимірювальними електродами, що служать обкладаннями плоского конденсатора. Нижній електрод є базовим, а верхній - знімний, рухомий, що дозволяє змінювати площу обкладань конденсатора і відстані між ними. Між електродами розташовується досліджуваний матеріал - паралелізована система текстильних волокон. Відстань між електродами, тобто товщина діелектрика, визначається за шкалою мікрометра.

Вживані прилади і матеріали: установка для діелектричних досліджень, зразки текстильних волокон (ниток).

Поиск по сайту: