Описание установки

М. В. Шкаруба

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ И

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебное пособие

(Сокращенный вариант для Сургутского филиала)

Омск

Издательство ОмГТУ

Часть 2

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ НА ЭВМ

Общие сведения о программах

Все программы, применяемые при изучении дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» первоначально были написаны на Турбо-Бейсике. Первые три программы были созданы еще в 2000 году, а в 2001 году – отмечены дипломом Министерства образования Российской Федерации. Эта награда послужила стимулом для создания новых программ. Первые программы создавались как копии лабораторных работ на стендах и в первую очередь предназначались для студентов заочного и вечернего отделения, которые по разным причинам не смогли выполнить лабораторные работы своевременно, поэтому изучали пропущенный материал самостоятельно на домашних компьютерах.

C 2000 года на кафедре создано уже 9 программ на Турбо-Бейсике. Эти программы можно разбить на три группы:

а) у программы есть аналог на стенде (в этом случае в описании приведена фотография стенда);

б) в основу программы положена работа на стенде, но порядок выполнения работы на ЭВМ существенно отличается от порядка выполнения на стенде (на ЭВМ реализовано построение зависимостей, получение которых на стенде обычно не проводится);

в) в программе изучается очень важная тема, для которой создать исследовательскую установку в условиях вуза нереально (например, исследование криопроводимости).

C 2004 года основные программы, в которых используются фотографии реальных экспериментальных установок, продублированы на Delphi. Это позволяет студентам проводить лабораторные работы приближенно к реальным условиям. В 2009 году новые лабораторные работы были отмечены дипломом Министерства образования и науки Российской Федерации.

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЕМКОСТЬ

КОНДЕНСАТОРА И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В НЕМ

Цель работы: определение зависимостей емкости, тангенса диэлектрических потерь и температурного коэффициента емкости конденсаторов от температуры.

Теоретические положения

Конденсатор представляет собой систему из двух пластин, разделенных слоем диэлектрика. Емкость конденсатора зависит от формы пластин, их размеров, взаимного расположения, а также от диэлектрической проницаемости среды, находящейся между пластинами. Емкость плоского конденсатора, выраженная в фарадах, определяется по формуле

,

где S – площадь пластин, м²; h – расстояние между пластинами, м; – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, = 8, 85∙ 10^-8 ; ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами.

Значение диэлектрической проницаемости электроизоляционного материала не остается постоянным при колебаниях температуры, что приводит к изменению емкости конденсатора. Увеличение температуры конденсатора в процессе работы вызвано наличием диэлектрических потерь энергии, возникающих при воздействии на диэлектрик электрического поля. В технике диэлектрические потери обычно характеризуются углом диэлектрических потерь или (чаще) тангенсом этого угла. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90^о угол сдвига фаз j между током I и напряжением U в емкостной цепи (рис. 1.1). Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь d и его функция tgd.

Рис. 1.1. Определение угла диэлектрических потерь

Для правильного выбора условий работы конденсатора нужно знать, как влияет увеличение температуры на диэлектрические потери в нем. Недопустимо большие потери в электроизоляционном материале могут вызвать сильный перегрев конденсатора и привести его к тепловому разрушению. Это происходит потому, что рост температуры при определенных условиях вызывает увеличение выделяющейся в диэлектрике энергии и вследствие этого – дальнейший рост температуры, т. е. приводит к неограниченному росту температуры и заканчивается тепловым пробоем диэлектрика. В ряде точных приборов необходимо считаться и с небольшим изменением емкости, и с tgd при колебаниях температуры. Так, изменение емкости эталонных конденсаторов приводит к появлению дополнительной погрешности в измерениях. Изменение емкости и активного сопротивления конденсатора может привести к отклонению от заданной частоты в колебательном контуре и т. д.

Для оценки изменения диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры применяют температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТК , который выражается формулой

ТК =

где и – диэлектрическая проницаемость образца при температурах t₁ и t₂ соответственно, причем t₂ > t₁; TK_e – температурный коэффициент, град ^–1.

В зависимости от типа материала и температурного диапазона диэлектрическая проницаемость его с ростом температуры может увеличиваться или уменьшаться. Так, для диэлектриков с электронной поляризацией с увеличением температуры поляризованность, в основном за счет расширения тела, слабо снижается, т. е. коэффициент ТК отрицателен.

В большинстве случаев при ионной поляризации диэлектрики имеют положительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости. Эта закономерность объясняется тем, что при повышении температуры ослабляются упругие силы связи между ионами в узлах кристаллической решетки, что облегчает смещение ионов в электрическом поле и приводит к некоторому увеличению диэлектрической проницаемости.

Значительно сложнее влияние температуры на диэлектрическую проницаемость материалов с дипольной поляризацией. Повышение температуры действует на дипольную поляризацию двояко: за счет ослабления межмолекулярных связей ориентация диполей должна облегчаться, а за счет усиления теплового движения – ослабляться, т.к. сильное тепловое хаотическое движение будет мешать упорядочению расположения молекул. При достаточно низких температурах за счет усиления межмолекулярных связей и резко пониженной подвижности молекул дипольная поляризация проявляется слабо и диэлектрическая проницаемость оказывается небольшой. При достаточно высокой температуре за счет усиления теплового движения, затрудняющего ориентацию диполей электрическим полем, дипольная поляризация тоже будет ослаблена. При оптимальном значении температуры дипольная поляризация выражена наиболее сильно и диэлектрическая проницаемость достигает максимума. Такую зависимость имеет, например, совол (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры
для полярного диэлектрика

В конденсаторах в качестве изоляции может применяться одновременно несколько диэлектриков, например, конденсаторная бумага, пропитанная жидким диэлектриком. В этом случае зависимость диэлектрической проницаемости от температуры может оказаться еще сложнее.

В лабораторной работе измеряется не коэффициент ТК , а температурный коэффициент емкости ТК_С, который определяется по формуле

ТК_С =

где С₁ и С₂ – емкости образца соответственно при температурах t₁ и t₂. Для практических расчетов важнее знать именно этот коэффициент.

Связь между коэффициентами ТК_С и ТК_e определяется формулой

ТК_С = ТК_e + a,

где a – температурный коэффициент линейного расширения.

Описание установки

Эту работу можно выполнять в ОмГТУ в лаборатории на экспериментальной установке: конденсаторы нагреваются в электропечи; измерения выполняются цифровыми приборами D-890G (измерение температуры) и
ELC-131D (измерение емкости и tgδ) (часть 1, рис. 1.3).

В дальнейшем для этой работы решили сделать компьютерный вариант из-за следующих недостатков:

1) за время работы студенты успевали снять зависимости только для одного конденсатора, так как надо было ждать, пока полностью остынет печь;

2) зависимости нельзя снять по частям, так как при каждом повторном нагреве они хоть ненамного отличаются друг от друга;

3) чтобы не повредить конденсатор (особенно если в нем масло), его нельзя нагревать до температуры выше 80 ^оС, а характерные особенности материала конденсатора проявляются после 80 ^оС;

4) студенты часто перегревали конденсаторы, после этого исследуемые зависимости отличались от теоретических, а конденсаторы приходилось выбрасывать;

5) зависимости ТК_С = f(t) из-за неточности измерений сильно отличались от теоретических.

Поэтому было решено один раз пожертвовать новыми конденсаторами, нагреть их до 110 ^оС и тщательно выполнить измерения емкости С и tgd конденсаторов, а потом на основании этих данных создать программу на ЭВМ.

Использование программы вместо экспериментальной установки имеет ряд преимуществ.

1. Теперь конденсатор можно многократно нагревать до 110 ^оС, не опасаясь его перегрева.

2. Зависимости не изменяются от нагрева к нагреву.

3. За время работы можно снять зависимости для нескольких конденсаторов, так как не надо ждать, пока остынет печь.

4. Лабораторная работа на экране монитора организована примерно так же, как и на реальной установке, а с самой экспериментальной установкой можно познакомиться в лаборатории 6–139.

5. Компьютер позволяет обработать полученные результаты и построить на экране монитора все зависимости, которые не отличаются от теоретических.

6. Программа сравнивает значения, выводимые на экран прибора, и значения, вводимые студентом при построении зависимостей, и оценивает правильность выполнения работы.

7. Программа имеет 50 вариантов, что позволяет каждому студенту группы выполнить ее индивидуально.