4 Порядок виконання роботи

4.1 Лабораторна робота вважається виконаною, якщо студент обґрунтовано визначить назву діелектриків, запропонованих для дослідження. У будь-якому іншому випадку вимірювання потрібно виконати повторно в години поза розкладом.

4.2 Вимірювання усіх параметрів діелектрика у роботі виконується за допомогою приладу, що має назву "вимірювач добротності" або скорочено куметр (Q-метр).

Метод вимірювання отримав назву резонансного, бо всі покази знімають лише в тому випадку, коли вимірювальна схема, якою завжди є коливальний контур, настроєна в резонанс. Тому для виконання роботи потрібно установити бажану частоту коливань генератора куметра, підібрати з набору котушок, який додається до приладу, необхідну і приєднати її до відповідних клем на приладі.

4.3 Обертаючи ручку з позначкою «Емкость pF» і спостерігаючи за стрілкою індикатора, вмонтованого в куметр, добиваються найбільшого відхилення стрілки. Найбільше відхилення стрілки відповідає стану резонансу в колі.

Показання індикатора по шкалі Q, а також показання ємності записують у відповідну графу таблиці.

4.4 До відповідних клем за допомогою штирів приєднують зразок, що підлягає дослідженню. При цьому стрілка індикатора покаже помітно менше відхилення або навіть займе положення, наближене до нуля.

Повертаючи ручку "Емкость pF" так, щоб ємність зменшувалася, знову добиваються найбільшого відхилення стрілки, тобто знову відновлюють стан резонансу. До відповідних граф заносять нові покази Q i C.

4.5Скориставшись простими формулами, які наведено у підрозділі 5 «Методичні поради», підраховують значення відносної проникності та тангенса кута втрат, що відповідають даному зразку на вибраній частоті.

Вимикають з кола зразок і котушку, а генератор куметра переводять на нову частоту і підбирають нову котушку індуктивності. Після приєднання нової котушки всі дії повторюють відповідно до пунктів 4.3, 4.4, 4.5.

4.6 Результати вимірювань і обчислень записують у таблиці, будують графіки залежності діелектричної проникності та тангенса кута від частоти, а також, скориставшись довідковою таблицею, роблять висновок щодо назви матеріалу зразків.

5 Методичні вказівки

5.1 Виконання вимірювання за допомогою куметра не викликають труднощів. Труднощі виникають під час виконання лабораторної роботи через те, що прилад не дозволяє безпосередньо виміряти величини, які нас цікавлять. Для успішного виконання роботи студент повинен чітко уявляти собі процеси, що супроводжують саме явище електричного резонансу, а також що та яким чином може вплинути на це явище.

5.2 Почнемо з короткого опису приладу.

Куметр складається з генератора синусоїдальних коливань, електронної системи вимірювання напруги, який дозволяє вимірювати напругу на елементах коливального контуру, не вносячи помітних спотворень у роботу генератора, а також самого коливального контуру. При цьому конденсатор контуру вмонтовано безпосередньо в куметрі, а котушка індуктивності приєднується ззовні до відповідних клем.

5.3 Генератор працює в діапазоні радіочастот від 50 кГц до 35 МГц. Увесь діапазон розділено на 10 піддіапазонів, а для роботи в кожному піддіапазоні потрібно натиснути одну з клавіш, які розміщені у нижній частині панелі куметра і позначені римськими цифрами. Праворуч на панелі розміщено віконце, через яке видно циліндр з нанесеними на ньому шкалами, які пронумеровані також римськими цифрами. Ця нумерація збігається з нумерацією клавіш. Таким чином, кожній клавіші відповідає шкала на циліндрі, а ту чи іншу частоту в межах одного піддіапазону можна встановити за допомогою ручки з позначкою "Частота".

5.4 Як уже зазначалося в пункті 5.2, конденсатор коливального контура вмонтовано в куметрі, це конденсатор змінної ємності з позначкою "Емкость pF" та клавіші з позначкою "". Конденсатор теж має градуйовану шкалу, і показання ємності можна знімати з точністю до десятих часток пікофаради. Відлік ємності проводиться у такому порядку: сотні і десятки пікофарад знімають на шкалі, що розміщена на барабані, а одиниці і частки пікофарад – на шкалі у вигляді диска, котрий жорстко зв'язаний з ручкою "Емкость pF".

Наприклад, нехай ємність конденсатора становить 237,4 пікофарад, тоді на барабані покажчик буде стояти у положенні, що відповідає більше за 230 та менший за 250, а 7,4 пікофаради відповідатимуть покажчикові на диску.

5.5 Електронний вимірювач напруги куметра має декілька шкал, але дві верхні – це ті, що потрібні в даній роботі. Це якраз шкали добротностей 0-30 та 0-100. Крім цього, під індикатором на панелі розміщено клавіші з написом 30, 100, 300, 1000 – це межі вимірювання добротностей.

Вибір тієї чи іншої шкали на індикаторі проводиться для зручності відліку, залежно від вибраної межі.

Є ще один орган, що належить до вимірювача, це клавіша та ручка з позначкою "Калибр Q". Ними слід користуватися після кожного змінювання частоти генератора. При натиснутій клавіші ручкою встановлюють стрілку індикатора по шкалі на позначку "".

5.6 Уважно прочитавши попередні пункти, ввімкніть куметр у розетку електричної мережі. Протягом кількох хвилин прилад буде прогріватися, а тим часом потрібно зробити деякі приготування. Клавіша з позначкою "Q", яка розміщена праворуч вгорі, повинна бути в натиснутому стані. Початкова межа вимірювань добротності повинна відповідати натиснутій клавіші з написом «300».

Виберіть 4-6 частот з діапазону від 1 МГц до 15 МГц. Натисніть клавішу піддіапазону, що відповідає найменшій частоті, а точне значення її виберіть за допомогою ручки з позначкою "Частота", орієнтуючись по відповідній шкалі (див. п. 5.3). Користуючись таблицею 1, підберіть з набору відповідну котушку індуктивності і приєднайте її до клем з написом "Lx" на верхній панелі куметра.

Таблиця 1 – Таблиця для підбирання котушок індуктивності

Номер котушок	Піддіапазон частот	Номер котушок	Піддіапазон частот
1	50-80 кГц	7	1,3-3,0 МГц
2	80-140 кГц	8	3,0-5,0 МГц
3	140-240 кГц	9	5,0-8,0 МГц
4	240-440 кГц	10	8,0-14,0 МГц
5	440-750 кГц	11	14,0-24,0 МГц
6	0,75-1,3 МГц	12	24,0-35,0 МГц

5.7 Приєднавши котушки до куметра, Ви фактично вже приготували прилад до роботи, але слід чітко уявити собі, що ми маємо у себе на робочому столі після виконання пункту 5.6.

Нагадаємо, що після приготувань ми маємо:

а) коливальний контур, який складається з вибраної котушки і конденсатора змінної ємності. До речі, дві клеми із позначкою "Сх" – це допоміжні клеми від конденсатора, куди в подальшому ми будемо приєднувати свої зразки;

б) у свою чергу конденсатор із складовою частиною коливального контуру, послідовно з якими уже ввімкнено генератор, а вимірювач напруги приєднаний до одного з елементів контуру. Тобто все це зроблено всередині самого приладу.

Спрощено електричну схему можна зобразити так, як це зроблено на рисунку 3.1.

Рисунок 3.1

5.8 З курсу фізики відомо, що при певному співвідношенні частоти, ємності та індуктивності в колі, що зображено на рисунку 3.1, може виникнути резонанс, а спостерігати його можна за значним зростанням напруги на окремих елементах схеми. У нашому випадку вимірювання напруги ведеться на конденсаторі "Емкость F".

5.9 Спостерігаючи за показами індикатора, підберемо величину ємності, обертаючи ручку з позначкою "Емкость pF" або шляхом натискування на клавішу з позначкою "" так, щоб покази індикатора були найбільші. При виході стрілки за межі шкали потрібно змінити межі вимірювання (див. п.5.4). Вочевидь, що остаточне регулювання величини ємності потрібно робити тільки ручкою "Емкость pF".

5.10 Зніміть покази добротності та ємності і запишіть їх у відповідні графи таблиці 2 (див. п.5.1, 5.5).

5.11 Приєднайте до клем "Сх" зразок з твердим діелектриком. Зразок являє собою конденсатор, у якого діелектриком є досліджувана речовина. Наслідком приєднання зразка стане те, що резонанс зникне, бо до ємності змінного конденсатора додалася ще ємність зразка. Тому потрібно зменшити ємність змінного конденсатора для повернення стану резонансу.

Обертаючи відповідну ручку, знову добийтеся резонансу, орієнтуючись на покази індикатора. Зніміть нові покази добротності і ємності та занесіть їх до таблиці 2 у відповідні графи.

5.12 Очевидно, що різниця між та , тобто різниця між показами ємності до вмикання зразка і після нього, дає нам невідому ємність зразка. Підрахуйте цю ємність і запишіть у таблицю 2:

.

5.13 Виходячи з означення відносної діелектричної проникності, для її обчислення потрібно знати ємність зразка з діелектриком (у нашому випадку - це Сх) і ємність конденсатора цього ж зразка, але такого, щоб замість твердого діелектрика в ньому було повітря (краще вакуум). Цю ємність (позначимо її ) для твердого діелектрика можна підрахувати за відомою формулою:

, (1)

де Ф/м, діелектрична стала,

значення та наведені на корпусі зразка.

5.14 Підрахувавши величину , можна було б підрахувати величину відносної проникності як , але ми повинні врахувати той факт, що при підрахунку з'єднувальні провідники до уваги не бралися, а при вимірюванні ємність монтажу , величина якої також наведена на корпусі зразка, увійшла як складова частина. Тому остаточно маємо

. (2)

Надалі дійте згідно з пунктом 4.5

Таблиця 2

Номер зразка

S=ав, м2

h, м

частота, МГц

Номер L

См, пФ

Q1

C1, пФ

Q2

C2, пФ

С'2, пФ

Сх, пФ



tg

5.15 Вимірювання параметрів рідких діелектриків аналогічне до вимірювання параметрів твердих, але є і відмінності. Справа в тому, що для обчислення ємності зразка з повітрям між обкладинками потрібні розміри площі обкладинок та товщина шару повітря (1), які невідомі. Тому ємність повітряного конденсатора, яким є вимірювальна камера для рідини, необхідно виміряти за допомогою куметра. Для цього в таблиці 2 введена допоміжна графа С'₂ – це показ на шкалі ємності куметра, коли до нього приєднано вимірювальну камеру, незаповнену рідиною. Якщо вимірювання параметрів рідкого діелектрика проводитиметься на тих самих частотах, що і твердого діелектрика, то значення ємностей (див. п.п.5.9, 5.10) можна не визначати заново, а скористатися тими, що були визначені при дослідженні твердого діелектрика.

Приєднавши незаповнену рідиною камеру до куметра, що працює на одній із вибраних частот, добийтеся резонансу (див.п.5.9). Покази ємності на куметрі, що відповідають резонансу, занесіть до графи С'2 таблиці 2. Значення добротності у цьому випадку нас не цікавить. Ємність підраховується за формулою

. (3)

5.16 Не роз'єднуючи зразок з куметром, обережно підніміть по штативу посудину з рідиною і дочекайтеся, поки рідина заповнить вимірювальну камеру. З цього моменту всі дії повинні проводитися згідно з пунктами 5.11-5.14, маючи на увазі, що тепер маємо справу з рідким діелектриком.

5.17 Знаходити _ рідкого діелектрика слід за формулою

. (4)

Формула (4) незначною мірою відрізняється від формули (3) тому, що значення ємності у першому випадку обчислювалося, а в останньому вимірювалось за допомогою куметра.

5.18 Враховуючи те, що тангенс кута діелектричних втрат є величина, обернена добротності, підрахунок слід робити за формулою

. (5)

Підрахунки роблять для кожної з частот, на яких проводилися вимірювання. За результатами обчислень будуються графіки залежностей та .

6 Зміст звіту

Звіт про роботу повинен містити:

а) назву і мету виконання роботи;

б) перелік використаного матеріалу;

в) результати дослідів і обчислень у вигляді таблиць;

г) графіки залежностей та .

д) принципову електричну схему, якщо вона є;

е) висновок.