Диэлектрические измерения

Диэлектри́ческие измерения

Измерения величин, характеризующих свойства диэлектриков (См. Диэлектрики) в постоянном и переменном электрических полях. К Д. и. относятся измерения диэлектрической проницаемости ε в постоянных и переменных полях, диэлектрических потерь, удельной электропроводности в постоянном электрическом поле, электрической прочности.

В случае твёрдых диэлектриков Д. и. часто сводятся к измерению ёмкости С плоского электрического конденсатора, между пластинами которого помещён исследуемый диэлектрик. По формуле

(d — толщина диэлектрического образца, S — площадь его боковой грани, k — коэффициент пропорциональности) находят диэлектрическую проницаемость ε. В случае жидкостей и газов измеряют ёмкость системы электродов в вакууме (С₀) и в данном веществе (С_ε), а затем определяют ε из соотношения: ε = С_ε/С₀.

Методы измерения ёмкости и диэлектрических потерь различны для разных частот электрического поля. В постоянном поле и при низких частотах (десятые доли гц) ёмкость, как правило, определяют путём измерений зарядного или разрядного токов конденсатора с помощью баллистического гальванометра (рис. 1).

В области частот от десятых гц до 10⁷ гц, помимо С, существенно измерение диэлектрических потерь (См. Диэлектрические потери), мерой которых является тангенс угла диэлектрических потерь tg δ. С и tg δ измеряют с помощью мостовых схем, в частности мостов Шеринга.

В высокочастотной области (от 10⁵ до 10⁸ гц) для измерения ёмкости С_ε и диэлектрической проницаемости ε применяют главным образом резонансные методы (рис. 2). Колебательный контур, содержащий образцовый конденсатор (см. Емкости меры (См. Ёмкости меры)), настраивается в резонанс, и определяется соответствующая резонансу величина ёмкости С'. Затем параллельно образцовому конденсатору присоединяют конденсатор с диэлектриком С_ε, и контур снова настраивается в резонанс. Во втором случае ёмкость С" образцового конденсатора будет меньше. Ёмкость конденсатора, заполненного диэлектриком C_ε, определяется по формуле:

C_ε = C' — С". (1)

Различные резонансные методы отличаются друг от друга по способу определения tg δ. В методе замещения диэлектрик заменяется эквивалентной схемой, состоящей из ёмкости и сопротивления. Подбирается такое сопротивление R, которое, будучи включено последовательно или параллельно образцовому конденсатору С, ёмкость которого берётся равной ёмкости диэлектрика С_ε, даёт такой же резонансный ток в контуре, как и образец диэлектрика. Метод расстройки контура основан на том, что ширина резонансной кривой контура определяется его добротностью Q, связанной с тангенсом угла потерь диэлектрика соотношением:

tg δ = 1/Q. (2)

Ёмкость и диэлектрические потери определяют также методом куметра. В данной области частот можно применять также метод биений (См. Биения).

В области сверхвысоких частот (от 10⁸ до 10¹¹ гц) Д. и. основаны на использовании объёмных резонаторов (См. Объёмный резонатор) и Радиоволноводов, а также на закономерностях распространения электромагнитных волн в свободном пространстве. В случае газообразных диэлектриков измеряют резонансную частоту ω₀ и добротность Q₀ объёмного резонатора (рис. 3), когда в нём создан вакуум, и те же величины ω_ε и Q_ε, когда он целиком заполнен диэлектриком. При этом имеют место соотношения:

В случае жидких и твёрдых диэлектриков, если они целиком заполняют резонатор, получаются гораздо большие изменения резонансной частоты и добротности. Кроме того, если диэлектрические потери велики, то добротность резонатора становится весьма малой величиной. Это нарушает справедливость формул (3) и (4). Поэтому применяют частичное заполнение резонатора диэлектриком, чаще всего имеющим форму диска или стержня.

Другой метод Д. и. в области СВЧ состоит в том, что в радиоволноводе устанавливаются бегущая или стоячая электромагнитные волны. Для волновода, заполненного диэлектриком, длина волны λ_ε равна:

где λ₀ — длина волны в свободном пространстве, λ_кр — критическая (предельная) длина волны, зависящая от типа волн и размеров поперечного сечения волновода. Из формулы (5) можно определять ε. При введении диэлектрика в волновод изменяются условия распространения волн и происходит поглощение энергии электромагнитного поля. Это позволяет определить tg δ.

Существуют два основных метода измерения ε и tg δ с помощью волновода. Первый основан на наблюдении картины стоячих волн в волноводе, нагружённом известным сопротивлением. Второй — на наблюдении поглощения волн, проходящих через диэлектрик. В случае газов, которые имеют ε — 1 и малые диэлектрические потери, ε и tg δ определяют с помощью установки, схематически изображённой на рис. 3. В среднем участке волновода, отгороженном слюдяными окнами, создаётся вакуум, а затем туда вводится газ. При этом в согласии с формулой (5) длина волны уменьшается и положение минимумов стоячей волны смещается. Д. и. жидкостей и твёрдых тел, имеющих ε ≠ 1, осложняются отражением волн на границе воздух — диэлектрик. В этих условиях наблюдают картину стоячих волн на входе заполненного диэлектриком волновода с помощью измерительной линии (См. Измерительная линия). В области миллиметровых, инфракрасных и световых волн измеряют коэффициент отражения или преломления и коэффициент поглощения диэлектрика, откуда находят ε и tg δ.

Методы измерения удельной электропроводности диэлектриков σ в постоянном поле существенно не отличаются от аналогичных методов для металлов и полупроводников (См. Полупроводники). Для точных измерений очень малых σ используют Постоянного тока усилитель.

Измерения электрической прочности Е_пр основаны на измерении напряжения V_np, которое соответствует наступлению диэлектрического пробоя:

Е_пр = V_пр/d, (6)

где d — расстояние между электродами.

Лит.: Сканави Г. И., Диэлектрическая поляризация и потери в стеклах и керамических материалах с высокой диэлектрической проницаемостью, М. — Л., 1952; Карандеев К. Б., Мостовые методы измерений, К., 1953; Хиппель А. Р., Диэлектрики и их применение, пер. с англ., М. — Л., 1959; Браун В., Диэлектрики, пер. с англ., М., 1961; Измерения на сверхвысоких частотах, пер. с англ., под ред. В. Б. Штейншлейгера, М., 1952.

А. Н. Губкин.

Рис. 1. Измерения диэлектрической проницаемости при помощи баллистического гальванометра G.

Рис. 2. Измерения ёмкости С_ε и диэлектрической проницаемости ε резонансным методом. Катушка индуктивности L и образцовый конденсатор С образуют замкнутый контур, слабо связанный с генератором переменного тока.

Рис. 3. Волноводные установки для измерения ε и tgδ газов.