Краткие теоретические сведения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА АР КРЫМ

РВУЗ «КРЫМСКИЙ ИНЖЕНЕРНО ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет инженерно-технологический

Кафедра «Технологическое образование»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К выполнению лабораторной работы

«Расчет и измерение емкости плоского конденсатора»

6.01010301 «Профессиональное образование»

Симферополь - 2013

Лабораторная работа №4

Тема: Расчет и измерение емкости плоского конденсатора

Цель: Ознакомить студентов с изоляционными материалами, применяемыми в электротехнических устройствах;

методами расчета и измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь;

рассчитать и измерить емкость плоского конденсатора с воздушным диэлектриком.

Оборудование и материалы: мультиметр, металлические пластины разных размеров, подставка для пластин конденсатора, миллиметровая линейка.

Краткие теоретические сведения

В электротехнических устройствах диэлектрики используются для изоля­ции токоведущих частей друг от друга, для накопления электрических зарядов и др. Диэлектрические материалы могут быть: газообразные, жидкие или твер­дые. Твердые диэлектрики могут быть: органические, неорганические, элементоорганические или смешанного состава; могут быть жесткие, эластичные, про­зрачные, пленочные; природные, синтетические, пропитанные или непропитанные. Можно сказать, что диэлектрических материалов большое множество с разными механическими, тепловыми, химическими, физическими и электриче­скими свойствами.

Бумагу изоляционную получают из древесной целлюлозы, хлопкового или льняного волокна и т. п. Разделяют на телефонную, кабельную, применяемую для изоляции электрических кабелей, обмоток трансформаторов и т. п.; конденсаторную, используемую в качестве диэлектрика конденсаторов; микалентную (шелковку), служащую основой для микалент и микафолия; оклеенную, предназначенную для оклейки листов электротехнической стали.

Слюда — минерал кристаллического строения, расщепляющийся на тонкие листочки; обладает высокими изоляционными свойствами. Применяется для изготовления миканитов, микалент, микафолия.

Полистирол, полиэтилен, полиизобутилен — синтетические смолы, получаемые при полимеризации сложных углеводородов. Применяются для изготовления лаков и пластмасс, обладающих высокими электроизоляционными свойствами. Пригодны для радиочастот.

Электроизоляционные картоны изготавливают из целлюлозы, хлопкового и льняного волокна. Применяют для изоляции электрических машин, трансформаторов и т. п. Пряжу изготавливают из органических (хлопок, натуральный шелк) или из синтетических волокон (вискозный шелк, ацетатный шелк, капрон). Применяют в виде крученых нитей для изоляции проводов, шнуров, в виде лент, тканей для изоляции обмоток электрических машин, аппаратов и т. п.

Текстолит представляет собой слоистый материал, полученный методом горячего прессования хлопчатобумажных тканей, пропитанных термореактивным связующим на основе фенолформальдегидной смолы.

Фторопласт является полимером тетрафторэтилена, т.е. полностью фторированного этилена. Он представляет собой рыхлый волокнистый порошок, легко комкающийся и при прессовании на холоду дающий плотные прочные таблетки.

Лакоткань представляет собой электроизоляционный материал, изготавливающийся на основе капрона, стеклоткани или шелка с добавлением лака или каучука. Лакоткань характеризуется отличными диэлектрическими свойствами.

Гетинакс – материал, обладающий электроизоляционными свойствами. Материал имеет слоистую структуру, и производиться путем горячего прессования бумажной основы, с добавлением фенольной смолы. Область применения гетинакса – электроизоляция различных деталей теле и радиоаппаратуры, облицовка различных поверхностей для декоративных целей.

Конденсаторная бумага объединяет многочисленные и разнообразные марки этого вида тонкой электроизоляционной бумаги. В зависимости от назначения конденсаторной бумаги толщина ее может находиться в пределах от 4 до 30 мкм, плотность от 0,8 до 1,4 г/см3, зольность от менее 0,3 до 3% (для оксидной бумаги). Разные марки этого вида бумаги отличаются между собой различными показателями электрической прочности и диэлектрических потерь соответственно предъявляемым требованиям к бумажным конденсаторам, для изготовления которых предназначена та или иная марка конденсаторной бумаги.

Диэлектрические материалы, помешенные в электрическое поле, поляри­зуются. Поляризация диэлектриков представляет собой процесс смешения свя­занных между собой противоположных электрических зарядов под воздействи­ем внешнего электрического поля

В результате смешения зарядов на противоположных плоскостях (элек­тродах) диэлектрика появляются заряды противоположных знаков, т.е. поляри­зация приводит к накоплению электрических зарядов на поверхности диэлек­трика. Чем выше его полярность, тем больше этот заряд.

Конденсатор — накопитель электрических зарядов, представляет собой два разноименно заряженных проводящих тела (обкладки), находящихся на небольшом расстоянии друг от друга. Под зарядом конденсатора понимается заряд, расположенный на одной из внутренних, обращенных друг к другу, поверхностей этих обкладок. Заряды обкладок равны по модулю и противоположны по знаку.

Плоский конденсатор представляет собой систему из двух металлических электродов — пластин (обкладок), расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Между пластинами находится воздух или какой-либо другой изолятор (слюда, керамика, парафинированная бумага и т. д.).

Если конденсатор присоединить к источнику постоянного тока, то на его пластинах появятся равные по модулю и противоположные по знаку электрические заряды. Способность конденсатора накапливать электрический заряд определяется формулой

Величина заряда Q зависит от ёмкости образца диэлектрика и от прило­женного к нему напряжения:

Q=C∙U,

где Q - заряд на поверхности, Кл;

С - ёмкость конденсатора;

U- приложенное к образцу напряжение.

В свою очередь ёмкость конденсатора зависит от его диэлектрической про­ницаемости в, его толщины d и площади электродов (площади меньшего элек­трода, если они не одинаковы), к которым приложено электрическое поле U.

где ԑ - относительная диэлектрическая проницаемость материала;

ԑ ₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, так называемая диэлектрическая постоянная вакуума, равная 8,85∙10^-12 Ф/м;

S - площадь меньшего электрода, м;

d - толщина материала, м;

С - ёмкость диэлектрика, Ф.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика равна его отно­сительной диэлектрической проницаемости, умноженной на постоянную ва­куума:

ԑ_abc= ԑ∙ ԑ₀

где S – площадь поверхности одной пластины;

d – расстояние между пластинами;

– диэлектрическая проницаемость материала, находящегося между обкладками;

8.854 · 10 ^-12 Ф/м – электрическая постоянная.

Емкость сферического конденсатора:

где b и a – радиусы внешней и внутренней сфер.

Единица электрической емкости в системе СИ называется фарад:

1Ф= 1Кл 1В, 1фарад= 1кулон 1вольт.

На практике применяют дольные единицы электрической емкости:

1 мкФ (микрофарад) = 10⁻⁶ Ф,
1 нФ (нанофарад) = 10⁻⁹ Ф,
1 пФ (пикофарад) = 10⁻¹² Ф.

В маркировке конденсаторов указывают номинальную емкость, класс точности в % и максимальное рабочее напряжение. Номинальную емкость записывают с помощью двух или трех цифр. В десятичных дробях вместо запятой ставят буквы: р — для обозначения пикофарад, n — нанофарад, μ — микрофарад.