Контрольні питання

1. Які показники оптичних властивостей текстильних виробів ви знаєте?

2. Як характеризується діапазон електромагнітного випромінювання світла?

3. Дати характеристику забарвлення текстильних волокон і ниток.

4. Фотоколориметричний метод аналізу.

5. Які характеристики оптичних властивостей можна визначати за допомогою колороиметра?

Лабораторна робота № 16 визначення діелектричної проникності і тангенса кута втрат ниток (волокон)

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

16.1. Короткі теоретичні відомості

Діелектричні властивості текстильних виробів характеризують їх здатність реагувати на зовнішнє електричне поле. Залежно від температури, частоти і амплітуди напруженості зовнішнього електричного поля характеристики діелектричних властивостей виробів різної молекулярної і надмолекулярної структури змінюються по-різному. Тому визначення діелектричних характеристик текстильних виробів в широкому інтервалі температур і частот зовнішнього електричного поля дає можливість вивчити особливості молекулярної будови речовин, що становлять текстильні вироби, молекулярну взаємодію і явища релаксацій в них ( рис. 16.1, 16.2).

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

а б

Рис. 16.2. Криві частотної (а) і температурної (б) залежності діелектричних характеристик

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

ε = С / С₀ (16.1)

де С - ємність конденсатора, заповненого досліджуваним матеріалом;

С₀ - ємність 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. 16.1 приведені еквівалентні схеми і векторні діаграми конденсатора з втратами, тобто конденсатора ідеальної ємності, послідовно або паралельно сполученого з активним опором, обумовлюючого виникнення еквівалентних втрат. При цьому для рис. 16.1, а

tg δ = ωRС (16.2)

для рис. 16.1., б

tg δ = 1/ (ωRС) (16.3)

де δ - кут втрат;

ω - кутова частота струму;

R - активний опір;

С - ємність конденсатора.

δ = 90⁰ – φ (16.4)

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 проникності і діелектричних втрат. В певних інтервалах температур і частот криві залежності tg(f) і tg(Т) проходять через максимум, а на кривих ε^/ (f) і ε^/ (Т) з'являється перегин (рис. 16.2).

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. 16.3.

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 мосту включений конденсатор С_х, в якому діелектриком служить досліджуваний матеріал (текстильні вироби).

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

Рис. 16.3. Блок-схема установки для діелектричних досліджень

Точний міст Шерінга (ВМ - 4006) призначений для вимірювання ємності в широких межах. Коефіцієнт втрат tg можна відлічувати в межах 0 - 10^-1. Принципова схема моста приведена на рис. 16.4.

Вимірювальний осередок з досліджуваною речовиною (змінна ємність 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 змінним опором R₁ і ємністю С₂ досягають рівності нулю струму в діагоналі (ав); на екрані осцилографа індикатора нуля з'являється пряма лінія. З умови С_хR₁ = C₁R₂ визначають:

невідому ємність:

С_х = С₁R₂ / R₁ (16.5)

і тангенс кута втрат:

tg δ = 1 / (ω R₁ C₂) (16.6)

Компенсація tgδ здійснюється за допомогою конденсатора змінної ємності 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. 16.4).

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 є горизонтальна лінія.

Рис. 16.4. Принципова схема моста Шерінга (живлення змінною напругою з частотою, на якій проводяться вимірювання)

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 обкладинками плоского конденсатора. Нижній електрод є базовим, а верхній - знімним, рухомим, що дозволяє змінювати площу обкладинок конденсатора і відстані між ними. Між електродами розташовується досліджуваний матеріал - паралелізована система текстильних волокон. Відстань між електродами, тобто товщина діелектрика, визначається за шкалою мікрометра.