Лабораторна робота №1
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ МІЦНОСТІ ТВЕРДИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ
Мета роботи: за допомогою віртуального стенду визначити електричну міцність твердих діелектриків та дослідити вплив умов навколишнього середовища на пробій діелектрика.
Завдання роботи: Ознайомитися:
фізичними основами та особливостями електричного, електротеплового і електрохімічного пробоїв твердих діелектриків;
з впливом умов навколишнього середовища на електричну міцність твердих діелектриків;
з стандартним методом визначення електричної міцності твердих діелектриків.
Виконати:
за допомогою віртуального стенду побудувати електричну схему для вимірювання електричної міцності діелектрика залежно від числа його структурних шарів;
розрахувати електричну міцність діелектрика відповідно до результатів моделювання пробою діелектрика;
за допомогою віртуального стенду побудувати електричну схему для дослідження залежності напруги пробою від температури;
по результатам досліджень побудувати відповідну графічну залежність;
провести аналіз отриманих результатів та оформити звіту по виконаній роботі.
Теоретичні відомості
1. Основні поняття
Діелектрик, знаходячись в електричному полі, може втратити ізоляційні властивості, якщо напруженість поля перевищить деяке критичне значення. Явище утворення каналу провідності в діелектрику, під дією електричного поля називають пробоєм.
Мінімальну прикладену до діелектрика напругу, що приводить до його пробою, називають напругою пробою Uпр .
Передпробійний стан діелектрика характеризується різким зростанням струму, з відхиленням від закону Ома у бік збільшення провідності. Формально за пробивну приймають таку напругу, при якій
dI ,
тобто диференціальна провідність стає нескінченно великою (рис. 1.1).
Рис. 1.1 – Вольт-амперна характеристика електричної ізоляції
Значення напруги пробою залежить від товщини діелектрика d і форми електричного поля, яке обумовлене конфігурацією електродів і самого діелектрика. Тому воно характеризує не стільки властивості матеріалу, скільки здатність конкретного зразка протистояти сильному електричному полю. Для порівняння властивостей різних матеріалів зручнішою характеристикою є електрична міцність. Електричною міцністю називають мінімальну напруженість однорідного електричного поля, що приводить до пробою діелектрика.
Пробій діелектриків може виникати в результаті електричних, теплових, а в деяких випадках і електромеханічних процесів, обумовлених дією електричного поля.
2. Типи пробою твердих діелектриків
Розрізняють різні механізми пробою твердих діелектриків. Поряд з електричним, тепловим і електрохімічним пробоєм можливі також іонізаційний, електромеханічний і електротермічний механізми пробою. У чистому вигляді при пробої жоден з механізмів не зустрічається.
Електричний пробій – пробій діелектрика, обумовлений ударною
іонізацією електронами або руйнування зв'язків між атомами, іонами або молекулами. Відбувається за час 10-5–10-8с.
Тепловий пробій – руйнування діелектрика за рахунок локального енерговиділення при протіканні струму в ньому.
Іонізаційний пробій можна спостерігати в полімерних діелектриках, що містять газові пори, в яких розвиваються так звані часткові розряди. В
dU
результаті електронно-іонного бомбардуванню стінок пор і дії оксидів азоту і озону, полімер змінює хімічний склад і механічно руйнується.
Електротермічний пробій характерний для крихких діелектриків і керамік. Він виникає в результаті механічного руйнування із-за розвитку мікротріщин під дією розрядів в газових включеннях, які утворюють перегріті області діелектрика.
Електромеханічний пробій – механічне руйнування полімеру при високій напрузі в результаті того, що полімер знаходиться в високоеластичному стані. Причиною є зменшення товщини діелектрика із-за електростатичного тяжіння електродів під дією високої напруги.
Електрохімічний пробій – відбувається при напрузі менших електричній міцності діелектрика. Викликається зміною хімічного складу і структури діелектрика в результаті електричного старіння.