1. Какие виды поляризации существуют? Как протекает процесс поляризации при различных её видах?

2. Какие факторы влияют на процесс поляризации?

3. Как влияет частота электрического поля на процесс поляризации?

4. Какие виды поляризации характерны для различных типов диэлектриков?

5. Что такое относительная диэлектрическая проницаемость ε_r? Что она характеризует?

6. Какие факторы влияют на величину относительной диэлектрической проницаемости?

7. Какие значения может принимать относительная диэлектрическая проницаемость для диэлектриков полярных и неполярных?

8. Как определяется емкость исследуемого диэлектрика С_Х с помощью прибора ВМ-560?

9. Как определяется относительная диэлектрическая проницаемость в работе?

Лабораторная работа №5

Определение магнитных характеристик различных видов ферромагнетиков

Цель работы

Определить магнитные характеристики электротехнической стали, кровельного железа, феррита и пермаллоя при магнитном поле промышленной частоты.

Общие сведения.

Материалы, обладающие магнитными свойствами, широко используются для магнитопроводов в различных электротехнических устройствах (магнитомягкие материалы) и для постоянных магнитов (магнитотвердые материалы).

При использовании этих материалов важно знать их магнитные характеристики. При циклическом намагничивании медленно меняющимся полем этими характеристиками являются: основная кривая намагничивания (рис. 5.1), абсолютная (m_а) и относительная(m_r) магнитные проницаемости, предельная петля гистерезиса и определяемые по ней потери на гистерезис, остаточная индукция (В_r), коэрцитивная сила (Н_с) и индукция насыщения (B_s) (рис. 5.2).

Характеристиками ферромагнетиков в переменных полях различной частоты являются соответственно динамическая кривая намагничивания, динамическая магнитная проницаемость (абсолютная m_а и относительная m_r), динамическая петля гистерезиса, более широкая за счет потерь на вихревые токи.

Рис. 5.1 – Основная кривая намагничивания для чистого железа

Рис. 5.2 – Гистерезисные петли при различных значениях величины напряженности внешнего магнитного поля

Объем исследований

Определить динамическую кривую намагничивания, зависимость относительной магнитной проницаемости (m_r) от напряженности поля для всех образцов, а для электротехнической стали и кровельного железа еще и потери на гистерезис по площади петли гистерезиса и сравнить их между собой. Частота – промышленная, 50 Гц.

Испытательное оборудование

Для снятия магнитных характеристик ферромагнетиков используется установка для исследования циклического перемагничивания ферромагнетиков.

Установка для исследования циклического перемагничивания ферромагнетиков состоит из осциллографа, амперметра, вольтметра, источника питания и фазовращателя (конструктивно выполнены в одном корпусе). Для испытаний имеется два образца: сердечник первого образца набран из листов электротехнической стали, второго – из кровельного железа. Образцы имеют первичную обмотку с числом витков W₁ и вторичную с числом витков W₂. Для первого образца W₁=750 и W₂=1000 витков; для второго образца W₁=1000 и W₂=1200 витков. Размеры магнитопроводов обоих образцов одинаковы; площадь поперечного сечения каждого из них S=8,75 см².

Испытательная схема приведена на рис. 5.3. Часть схемы выполнена внутри закрытого корпуса (обведена рамкой). Образцы, осциллограф, амперметр и вольтметр подключаются к клеммам снаружи. Регулируемое с помощью автотрансформатора АТ напряжение через разделительный трансформатор ТР подается на первичную обмотку образца W₁. На пластины горизонтального отклонения элелектронно-лучевой трубки (ЭЛТ) осциллографа подается напряжение, пропорциональное напряженности магнитного поля Н, а на пластины вертикального отклонения напряжение, пропорциональное магнитной индукции В. Включение схемы производится тумблером, регулирование напряжения – рукояткой автотрансформатора, расположенными на передней панели основного блока.

Р ис.5.3 – Испытательная схема для исследования магнитных материалов

Порядок проведения работы

1. Подключить к схеме (рис. 5.3) первый образец, амперметр, вольтметр, осциллограф.

2. Включить питание осциллографа и дождаться разогрева ЭЛТ (появится луч).

3. Включить питание установки.

4. Отрегулировать фокусировку, яркость и степень усиления напряжения, подаваемого на входы осциллографа. Снять показания амперметра и вольтметра, данные для расчета основной кривой намагничивания и m_r. Напряжение поднимать от нуля до значения, соответствующего предельной петле гистерезиса (петля, площадь которой не увеличивается при дальнейшем подъеме напряжения). Преподаватель может также каждой бригаде указать значения подаваемых напряжений.

Данные измерений и расчетов занести в табл. 5.1.

5. Установить ток и напряжение в соответствие с последней строкой таблицы и перенести на кальку с экрана осциллографа предельную петлю гистерезиса для определения удельных потерь на гистерезис.

6. Работу повторить для второго образца для тех же напряжений.

Обработка результатов

Таблица 5.1

№ п/п	U2,В	I,А	В, Вб/м2	Н, А/м	mа, Г/м	mr,
1
2
3
4
5

1. Для каждого значения U₂ рассчитать В, Н, m_а, m_r для двух первых образцов по формулам (для феррита и пермаллоя это делать не нужно):

где U₂ – действующее значение напряжения вторичной обмотки, В; f – частота сети, равная 50 Гц; S – сечение магнитопровода, одинаковое для обоих образцов – 8,75*10^-4 м²; число витков вторичной обмотки образца.

где I – действующее значение тока в первичной обмотке, А; W₁ – число витков первичной обмотки образца; l – длина средней магнитной силовой линии, для обоих образцов l=0,42 м.

m_а=В/Н

m_r=m_а/m₀; m₀=4p*10^-7, Г/м

2. Построить график динамической кривой намагничивания В=f(H) и график m_r=f(H) для обоих образцов.

3. Рассчитать по площади петли гистерезиса удельные потери для обоих образцов. Для этого кальку с петлей гистерезиса приложить к миллиметровой бумаге и визуально подсчитать площадь в м².

Удельные потери на гистерезис подсчитываются по формуле:

где S_П – площадь петли гистерезиса, м²; f – частота сети, равная 50 Гц; g - плотность магнитного материала, равная 7800 кг/м³ для обоих образцов; m_X, m_Y – масштабы по осям X и Y осциллографа,

Х и Y в мм берутся согласно рис. 5.4 по снятой с осциллографа петле гистерезиса.

4. Руководствуясь пунктом 3 определить удельные потери на гистерезис для пермаллоя и феррита.

5. Сравнить магнитные характеристики исследуемых материалов.

Рисунок 5.4 – Петля гистерезиса, снятая с экрана осциллографа

Вопросы для самоподготовки к лабораторной работе №5

1. Что такое магнитные материалы? Какова их природа?

2. Что такое магнитные домены? Какова их природа?

3. Что происходит с доменами под влиянием внешнего магнитного поля?

4. Что такое основная кривая намагничивания?

5. Что такое предельная петля гистерезиса, какие величины её характеризуют?

6. Что такое магнитная проницаемость веществ, что она характеризует?

7. Какие потери возникают в магнитных материалах?

8. Почему магнитопроводы устройств работающих на переменном напряжении, изготовляются из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга?

9. Почему магнитопроводы, изготовленные из ферритов, имеют монолитную конструкцию?

10. Как влияет частота переменного магнитного поля на различные виды потерь в магнитных материалах?

11. На какие два вида подразделяются магнитные материалы? Какими свойствами обладают материалы каждого вида? Где они применяются?

12. Дайте характеристику различных магнитных материалов, применяемых в технике.

Лабораторная работа №6

Исследование электрической прочности твердых диэлектриков

Цель работы

Получить навыки проведения испытания электрической прочности твердых диэлектриков. Выявить факторы, влияющие на электрическую прочность твердых диэлектриков.

Общие сведения

По степени распространения в технике из диэлектриков первое место занимают газообразные диэлектрики, в частности, воздух. На втором месте оказались твердые диэлектрики. Это связано с тем, что зачастую изоляционная конструкция должна нести еще и механические нагрузки.

Твердые диэлектрики бывают природного и синтетического происхождения. В настоящее время основную массу представляют синтетические диэлектрики. Благодаря достижениям современной химии стало возможным получение материалов практически с любыми характеристиками. К твердым диэлектрикам относятся: минеральные диэлектрики (стекла, керамика, слюдяные материалы, асбест), полимеры, смолы, битумы, воскообразные диэлектрики, лаки и компаунды, гибкие пленки, жидкие кристаллы, волокнистые материалы, дерево и продукты из него, пластические массы, слоистые пластики, эластомеры (резины), неорганические диэлектрические пленки.

Твердые диэлектрики являются изоляционными материалами большинства электротехнических устройств. Нарушение изоляционных свойств – пробой твердого диэлектрика приводит к необратимому отказу устройства, в котором он используется. Поэтому электрическая прочность твердого диэлектрика является основным из его параметров, используемых при выборе изоляционного материала для работы в электрических полях.

Электрической прочностью диэлектрика называется значение напряженности Е_ПР внешнего однородного поля, в котором находится диэлектрик и при котором происходит его пробой, а соответствующее напряжение – пробивным напряжением U_ПР.

Различают два вида пробоев: электрический и электротепловой. Пробой диэлектрика называют электрическим, если он обусловлен ударной ионизацией молекул диэлектрика электронами, и электротепловым (тепловым), если он вызван разогревом диэлектрика за счет диэлектрических потерь при недостаточной теплоотдаче в окружающую среду или нагреванием от внешнего источника тепла.

Электротепловой пробой обычно наступает при переменном электрическом поле. При постоянном напряжении диэлектрических потерь нет и наблюдается только электрический пробой.

Объем исследований

Снять зависимость пробивного напряжения и электрической прочности от толщины (числа слоев) для бумаги на постоянном и переменном токе.

Испытательное оборудование

Установка для исследования электрической прочности твердых диэлектриков конструктивно состоит из двух блоков: блок высоковольтный и блок испытательный (рис. 6.1).

Рисунок 6.1 – Внешний вид испытательной установки

Блок высоковольтный (6 на рис. 6.1) предназначен для получения регулируемого напряжения постоянного (0…5 кВ) и переменного тока (0…4 кВ). На передней панели высоковольтного блока присутствуют:

- выключатель питания «Сеть» (7 на рис. 6.1);

- киловольтметр цифровой (8 на рис. 6.1);

- индикатор величины выходного тока (9 на рис. 6.1);

- рукоятка регулятора величины выходного напряжения (14 на рис. 6.1);

- переключатель рода тока (16 на рис. 6.1) с индикаторами выбранного переменного «АС» (15 на рис. 6.1); и постоянного «DC» тока (12 на рис. 6.1);

- кнопки включения и отключения высокого напряжения (11 и 13 на рис. 6.1) с соответствующей индикацией (10 и 17 на рис. 6.1).

Блок испытательный предназначен для приложения испытательного напряжения к испытуемому образцу и измерению толщины испытуемого образца. Составные части блока:

- микрометр для измерения толщины образца (1 на рис. 6.1);

- клавиша подъема электродов для установки образцов (2 на рис. 6.1);

- корректор нуля микрометра (3 на рис. 6.1);

- корпус с защитным щитком (4 на рис. 6.1);

- сменные электроды различной формы (5 на рис. 6.1).

Защитный щиток снабжен контрольными контактами положения для блокировки подачи высокого напряжения на электроды при открытом блоке.

Порядок работы

1. Проверить наличие и целостность заземления установки. РАБОТА БЕЗ ЗАЗЕМЛЕНИЯ КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩЕНА!

2. Включить установку в сеть 220 В.

3. Включить выключатель "Сеть".

4. Установить корректором ноль микрометра.

5. Выбрать переключателем постоянный ток «DC».

6. Нажав на клавишу микрометра установить один слой диэлектрика.

7. Опустить защитный щиток.

8. Проверить крайнее левое положение рукоятки регулировки напряжения.

9. Нажать кнопку "ПУСК".

10. Плавно увеличивая напряжение определить величину пробивного напряжения. Пробой сопровождается индикацией тока (>1 мА) и отключением высоковольтного блока (загорается зеленый светодиод «СТОП»).

11. Вывести рукоятку регулирования напряжения в крайнее левое положение.

12. Записать полученное значение пробивного напряжения в отчет.

13. Сменить образец.

14. Выполнить пункты 9 – 13 еще четыре раза.

15. Проделать пункты 6 – 13 для количества слоев диэлектрика: 2, 4, 6 и 8.

16. Выбрать переключателем переменный ток «АС».

17. Выполнить пункты 6 – 15 настоящей программы работ

Примечание: Для каждого количества слоев пробой выполнять 5 раз. Использование одного и того же образца недопускается.

Результаты испытаний занести в таблицу 6.1

Обработка результатов испытаний

Таблица 2.1

Толщина d,мм	Число слоев	Пробивное напряжение, UПР, кВ					Среднее пробивное напряжение, UПР,СР, кВ	ЕПР, кВ/мм
		Опыт 1	Опыт 2	Опыт 3	Опыт 4	Опыт 5
Постоянный ток
	1
	2
	4
	6
	8
Переменный ток
	1
	2
	4
	6
	8

1. Рассчитать среднее пробивное напряжение по результатам пяти испытаний образца определенной толщины:

2. Рассчитать электрическую прочность Е_ПР образца определенной толщины d:

3. Рассчитать и построить зависимости пробивного напряжения U_ПР=f(d) и электрической прочности Е_ПР=f(d) от толщины диэлектрика для постоянного и переменного тока. Объяснить полученные зависимости.

Вопросы для самоподготовки

1. Что такое электрический пробой диэлектрика?

2. Какие физические процессы приводят к пробою твердого диэлектрика?

3. Что такое пробивное напряжение, в каких единицах оно измеряется?

4. Что такое электрическая прочность и в чем она измеряется?

5. Какие виды пробоев в твердом диэлектрике существуют?

6. Что такое электрический пробой и как он развивается?

7. Что такое электротепловой пробой и почему на постоянном напряжении он реже чем на переменном?

8. При каких условиях может возникнуть тепловой пробой на постоянном напряжении?

9. Какие факторы влияют на электрическую прочность при электрическом пробое?

10. Как изменяется электрическая прочность твердого диэлектрика в зависимости от его толщины?

11. Как меняется электрическая прочность твердого диэлектрика в зависимости от формы электрического поля?

12. Как влияют неоднородности внутри диэлектрика на его электрическую прочность?