close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

- Ухтинский государственный технический университет

код для вставкиСкачать
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ухтинский государственный технический университет»
(УГТУ)
9
Определение диэлектрической
проницаемости свежей древесины
Методические указания
Ухта, УГТУ, 2014
УДК 674.02 : 537.226.1 (075.8)
ББК 37.11 я7
С 61
Северова, Н. А.
С 61
Определение диэлектрической проницаемости свежей древесины
[Текст] : метод. указания / Н. А. Северова – Ухта : УГТУ, 2014. – 11 с.: ил.
Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы
по физике древесины для студентов II курса специальности 250400.62 «Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств» дневной
формы обучения.
Содержание указаний соответствует рабочей программе по дисциплине Физика
древесины.
УДК 674. 02 : 537.226.1 (075.8)
ББК 37.11 я7
Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой физики 04.03.2014,
пр. №02.
Рецензент: Н. П. Богданов, профессор кафедры физики Ухтинского государственного технического университета, к.ф.-м.н.
Редактор: Н. С. Пономарёв, доцент кафедры физики Ухтинского государственного технического университета, к.ф.-м.н.
Корректор и технический редактор: К. В. Коптяева.
В методических указаниях учтены замечания рецензента и редактора.
План 2014 г., позиция 131.
Подписано в печать 30.04.2014. Компьютерный набор.
Объем 11 с. Тираж 50 экз. Заказ №284.
© Ухтинский государственный технический университет, 2014
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.
Типография УГТУ.
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.
Определение диэлектрической проницаемости древесины
Цель работы:
экспериментально определить диэлектрическую проницаемость древесины.
Материалы и оборудование:
электрическая цепь, смонтированная в деревянном корпусе, мультиметры,
образцы свежей древесины различной породы, проводники.
Примечание. Измерение диэлектрической проницаемости древесины производится без соблюдения ГОСТ 18408–73.
Краткая теория
Ёмкостью конденсатора называется физическая величина, равная отношению заряда, q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов,
(φ1 –φ2), между его обкладками:
q
C=
.
(1)
(ϕ1 − ϕ2 )
Электроёмкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф). Ёмкостью в 1 Ф
обладает конденсатор, у которого при сообщении заряда в 1 Кл разность потенциалов возрастает на 1 В. На практике преимущественно пользуются более мелкими единицами: микрофарадой (1 мкФ = 10-6 Ф), пикофарадой (1 пФ = 10-12 Ф),
нанофарадой (1 нФ = 10-9 Ф).
Ёмкость конденсатора зависит от формы и размеров его электродов, их
взаимного расположения и свойств диэлектрика, разделяющего электроды. Например различают плоские конденсаторы, электродами которых служат плоские параллельные пластины (рис. 1, а), цилиндрические (рис. 1, б) с электродами в виде цилиндров и сферические.
Ёмкость плоского конденсатора определяется по формуле:
ε ⋅ εo ⋅ S
C=
,
(2)
d
где ε – диэлектрическая проницаемость вещества между пластинами;
εо – электрическая постоянная (εо = 8,85·10-12 Ф/м);
S – площадь пластин;
d – расстояние между пластинами.
Диэлектрическая проницаемость некоторых изоляционных материалов:
o Воздух – 1.0005;
o Бумага – от 2.5 до 3.5;
o Стекло – от 3 до 10;
3
Слюда – от 5 до 7;
o Порошки оксидов металлов – от 6 до 20.
o
В)
Рисунок 1 – Плоский (а) и цилиндрический (б) конденсаторы,
обозначение на схеме конденсатора (в)
Свойствами конденсатора обладают не только специально изготовленные
на заводе устройства, но и любые два проводника, разделённые диэлектриком.
Ёмкость их оказывает существенное влияние на работу электротехнических установок при переменном токе. Например конденсаторами с определённой ёмкостью являются два электрических провода, провод и земля, жилы электрического кабеля, жилы и металлическая оболочка кабеля.
Конденсаторы широко применяются в системах энергоснабжения промышленных предприятий и электрифицированных железных дорог для улучшения использования электрической энергии при переменном токе. Например
на тепловозах конденсаторы используют для сглаживания пульсирующего тока,
получаемого от выпрямителей и импульсных прерывателей, борьбы с искрением контактов электрических аппаратов и с радиопомехами, в системах управления полупроводниковыми преобразователями и др.
Пусть переменное напряжение подано на ёмкость. Если индуктивностью
цепи и сопротивлением подводящих проводов в обсуждении пренебрегаем, то в
этом случае конденсатор непрерывно перезаряжается, вследствие чего в цепи течёт переменный ток. Поскольку сопротивление проводов пренебрежимо мало,
напряжение на конденсаторе можно считать равным внешнему напряжению:
UC =
q
= U m cos ω t .
C
(3)
Умножим это выражение на С и продифференцируем по t: i =
i = −ω CU m sin ω t = I m cos( ω t +
где
I m = ω CU m =
4
Um ,
1
ωC
π
),
2
dq
:
dt
(4)
(5)
или по закону Ома
Im =
Um .
ХС
(6)
Как видно из формулы (4), изменения тока, текущего через ёмкость, отπ
стают на от изменения тока на активном сопротивлении.
2
1
Величина
ХС =
(7)
ωC
называется реактивным ёмкостным сопротивлением, или просто ёмкостным
сопротивлением. Если С взять в Фарадах, а ω в с −1 , то Х С будет выражено в
Омах. Из выражений (5) следует:
C =
I эф
2πνU эф
.
(8)
Для постоянного тока ( ω = 0) Х С = ∞, т. е. постоянный ток через конденсатор течь не может. Переменный ток течёт через конденсатор, причём оказываемое току сопротивление тем меньше, чем больше частота тока, ω , и ёмкость
конденсатора, С.
Закон Ома для цепи переменного тока:
U
U
Ζ = m = эф ,
(9)
Im
I эф
где U эф и I эф – эффективные значения напряжения и тока, измеренные приборами.
Эффективными значениями переменного тока или напряжения называются такие значения постоянного тока (напряжения), при которых выделяется
такая же мощность, как и при данном переменном токе. Теория показывает, что
эффективные значения тока и напряжения связаны с амплитудными значениями следующими соотношениями:
U
I
U эф = m ; I эф = m .
(10)
2
2
Древесина, находящаяся в переменном электрическом поле, например
внутри конденсатора, будет проявлять свои диэлектрические свойства, которые
характеризуются двумя показателями:
1) диэлектрической проницаемостью, ε;
2) тангенсом угла диэлектрических потерь, tgδ, который определяет долю
подведённой мощности, поглощаемой древесиной вследствие дипольной поляризации и превращаемой в теплоту. При этом вектор тока опережает вектор на5
пряжения на угол, меньший чем 90°. Угол δ, дополняющий угол сдвига фаз до
прямого, и называется углом диэлектрических потерь. Чем больше рассеиваемая мощность, тем больше угол δ.
С повышением влажности древесины диэлектрическая проницаемость
увеличивается, т. к. ε воды равняется 81. При постоянной влажности древесины
увеличение частоты приводит к снижению диэлектрической проницаемости.
Значения диэлектрической проницаемости абсолютно сухой древесины разных
пород приведены в таблице 1.
Тангенс угла диэлектрических потерь древесины зависит и от её плотности. Т. к. потери в древесинном веществе значительно выше, чем в воздухе, с
увеличением плотности древесины tgδ возрастает. tgδ вдоль волокон примерно
в 2 раза больше, чем поперёк (разница между тангенциальным и радиальным
направлением практически не наблюдается). Повышение частоты влияет на величину tgδ.
При вакуумно-диэлектрической сушке штабель пиломатериалов помещают в автоклав или герметичную камеру, где вакуум-насосом создаётся пониженное давление среды (1...20 Па). Чем ниже давление среды, тем ниже и температура испарения влаги и древесины при сушке. Расход теплоты на сушку
обеспечивается подводом высокочастотной энергии к древесине.
Таблица 1
Порода
Ель
Бук
Дуб
3.06
3.18
2.86
в радиальном направлении
1.98
2.20
2.30
в тангенциальном направлении
1.91
2.40
2.46
Диэлектрическая проницаемость вдоль волокон
Экспериментальная часть
Часть 1. Определение электроёмкости конденсатора
1. Переключатели на приборах (миллиамперметре и вольтметре), а также на панели установки переключите в положение «~». Пределы измерения (миллиамперметра и вольтметра) установите 2 mA и 20 В.
2. Поставьте на приборе заданную преподавателем частоту переменного тока.
6
3. При помощи штангенциркуля определите размеры образца: a, b, d (см. рис. 2).
4. Определите площадь: S = a·b.
5. Закрепите образец древесины между пластинами конденсатора, которые совпадают по размерам a, b с образцом (см. рис. 2).
а
b
d
b
а
d
Рисунок 2 – Схема закрепления образца
Рисунок 3 – Схема установки
6. Запишите показания вольтметра и миллиамперметра при максимальном показании одного из приборов в таблицу 2.
7. По результатам измерений определите электроёмкость по формуле (8).
8. Погрешность измерения тока (∆I) и напряжения (∆U) примите равной двум
единицам младшего разряда (по цифровым приборам).
9. Вычислите электрическую ёмкость по формуле (8).
10. Относительную погрешность измерения электроёмкости вычислите по формуле:
∆I
∆U эф 2
∆С
= ( эф ) 2 + (
) = β.
С
I эф
U эф
7
(11)
11. Абсолютная погрешность при определении электроёмкости определяется по
формуле (12):
∆C = β ⋅ C .
(12)
12. Вычислите диэлектрическую проницаемость древесины по формуле (13):
С ⋅d
ε=
.
(13)
εo ⋅ S
Таблица 2
Образец
d
S
U эф
I эф
ν
C
∆С
С
∆С
ε
Берёза
Черёмуха
Тополь
Сосна
Ель
Лиственница
Дуб
Часть 2. Определение зависимости диэлектрической проницаемости
древесины от частоты тока
1. Поставьте на приборе первую из заданных преподавателем частоту переменного тока.
2. При помощи штангенциркуля определите размеры образца: a, b, d (см. рис. 2).
3. Определите площадь: S = a·b.
4. Закрепите образец древесины между пластинами конденсатора, которые совпадают по размерам a, b с образцом (см. рис. 2).
5. Запишите показания вольтметра и миллиамперметра при максимальном показании одного из приборов в таблицу 3.
6. По результатам измерений определите электроёмкость по формуле (8).
7. Погрешность измерения тока (∆I) и напряжения (∆U) примите равной двум
единицам младшего разряда (по цифровым приборам).
8. Определите диэлектрическую проницаемость по формуле (13).
9. Поменяйте частоту переменного тока и проведите аналогичные измерения
несколько раз.
8
10. Постройте график зависимости диэлектрической проницаемости древесины
от частоты ε(ν).
11. Вычислите относительную погрешность диэлектрической проницаемости:
∆I
∆U эф 2 ∆d 2 ∆ε o 2 ∆a 2 ∆b 2
∆ε
= ( эф ) 2 + (
) +( ) +(
) + ( ) + ( ) = β.
ε
εo
I эф
U эф
d
a
b
(14)
12. Вычислите абсолютную погрешность диэлектрической проницаемости:
∆ε = β ⋅ ε .
(15)
Таблица 3
Частота,
ν, кГц
a
b
d
U эф
I эф
0,1
1
10
100
1000
9
C
ε
∆ε/ε
∆ε
Контрольные вопросы
1. Что называют электрической ёмкостью конденсатора?
2. В каких единицах измеряется электрическая ёмкость?
3. Как определяется электрическая ёмкость плоского конденсатора?
4. От чего зависит ёмкость плоского конденсатора?
5. Что характеризует диэлектрическая проницаемость вещества?
6. От чего зависит диэлектрическая проницаемость древесины?
10
Библиографический список
1. Уголев, Б. Н. Древесиноведение и лесное товароведение / Б. Н. Уголев. – М. :
Издательский центр «Академия», 2006. – 272 с.
2. Коломинова, М. В. Курс лекций по физике древесины : метод. указания /
М. В. Коломинова, Н. А. Северова. – Ухта : УГТУ, 2012. – 72 с.
3. Коломинова, М. В. Физические свойства древесины : метод. указания /
М. В. Коломинова. – Ухта: УГТУ, 2010. – 52 с.
4. Волынский, В. Н. Взаимосвязь и изменчивость физико-механических свойств
древесины / В. Н. Волынский. – Архангельск : АГТУ, 2000. – 196 с.
11
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа