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 (Сε), а затем определяют ε из соотношения: ε =Сε/С0.
Методы измерения ёмкости и диэлектрических потерь различны для разных частот электрического поля. В постоянном поле и при низких частотах (десятые долигц) ёмкость, как правило, определяют путём измерений зарядного или разрядного токов конденсатора с помощью баллистического гальванометра (рис. 1).
В области частот от десятыхгцдо 107гц, помимо С, существенно измерение диэлектрических потерь (См. Диэлектрические потери), мерой которых является тангенс угла диэлектрических потерь tg δ.Си tg δ измеряют с помощью мостовых схем, в частности мостов Шеринга.
В высокочастотной области (от 105до 108гц) для измерения ёмкостиСεи 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 ёмкостиС'. Затем параллельно образцовому конденсатору присоединяют конденсатор с диэлектрикомСε, и контур снова настраивается в резонанс. Во втором случае ёмкостьС"образцового конденсатора будет меньше. Ёмкость конденсатора, заполненного диэлектрикомCε, определяется по формуле:
Cε=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 сопротивлениеR, которое, будучи включено последовательно или параллельно образцовому конденсаторуС, ёмкость которого берётся равной ёмкости диэлектрикаСε, 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 108до 1011гц) 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 ω0и добротностьQ0объёмного резонатора (рис. 3), когда в нём создан вакуум, и те же величины ωεиQε, 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 λεравна:
где λ0— длина волны в свободном пространстве, λкр— 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 нарис. 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 прочностиЕпроснованы на измерении напряженияVnp, которое соответствует наступлению диэлектрического пробоя:
Епр=Vпр/d, (6)
гдеd— 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 гальванометраG.
Рис. 2. Измерения ёмкости Сεи диэлектрической проницаемости ε резонансным методом. Катушка индуктивностиLи образцовый конденсаторСобразуют замкнутый контур, слабо связанный с генератором переменного тока.
Рис. 3. Волноводные установки для измерения ε иtgδ газов.