1. Основні поняття

Основною властивістю діелектриків, яка використовується в електроізоляційній техніці, є дуже слабка здатність проводити електричний струм. Низька електропровідність діелектриків обумовлена тим, що за звичайних умов (низьких температурах і напруженостях

електричного поля) в них мала кількість носіїв заряду в порівнянні з провідниками і напівпровідниками. По своєму характеру електропровідність діелектриків є іонною.

Під дією прикладеної постійної напруги через електричну ізоляцію протікає струм витоку, який складається з об'ємного і поверхневого струмів. Об'ємний струм проходить через внутрішні області ізоляції і обумовлений величиною об'ємного опору R_V . Поверхневий струм проходить через поверхневі шари ізоляції і обумовлений величиною поверхневого опору ізоляції R_S. Поняття поверхневого опору вводять для твердої ізоляції, оскільки в дії зовнішніх чинників, наприклад, вологи, електропровідність зовнішніх шарів ізоляції може бути значно більшою в порівнянні з провідністю внутрішніх областей. У таких випадках низьке значення електричного опору ізоляції визначається великим поверхневим струмом.

Для оцінки якості діелектриків з точки зору їх здатності перешкоджати проходженню через них електричного струму використовують такі характеристиками як питомий об'ємний опір _V і питомий поверхневий опір _S, які є величинами, зворотними питомій об'ємній провідності J _V і питомій поверхневій провідності J_S.

При підвищенні температури питомі опори електроізоляційних матеріалів зменшуються. В твердих діелектриках це явище пояснюється головним чином за рахунок збільшенням числа носіїв заряду при нагріванні. Для обмеженого інтервалу температур залежність питомого об'ємного опору від температури досить точно виражається наступним співвідношенням:

_Vt _V0 e^−at

де _Vt - питомий об'ємний опір при температурі t °C; _V0 - питомий об'ємний опір при температурі 0°С;

а - коефіцієнт, який залежить від природи матеріалу, характеризує швидкість зниження опору діелектрика із зростом температури.

Опір діелектриків у ряді випадків залежить також від величини прикладеної напруги, зменшуючись при її зростанні. Ця залежність виявляється при нещільному приляганні електродів до поверхні ізоляції. Вона також спостерігається і у пористих матеріалів в результаті перерозподілу вологи в капілярах під дією прикладеної напруги, а також в разі утворення об'ємних зарядів в діелектрику, що створюють електрорушійну силу високовольтної поляризації. Також слід зазначити,

що тут мається на увазі така напруга, значення якої далекі від пробивної напруги ізоляції.

Опис віртуальної лабораторної установки

Експериментальне визначення питомого об'ємного і поверхневого опорів проводиться зазвичай на одному і тому ж зразку, забезпеченому трьома електродами. Форма і розташування цих електродів для випадку плоского зразка показані на рис. 1.

Рис. 2.1 – Схема розташування електродів для вимірювання питомих опорів плоского зразка діелектрика

Верхній дисковий електрод А має діаметр d , внутрішній діаметр кільцевого електроду d₂ d 4мм. Таким чином, зазор між цими електродами складає 4 мм. Нижній дисковий електрод С має діаметр, приблизно рівний зовнішньому діаметру кільцевого електроду. При вимірюванні об'ємного опору зразка слід пропускати струм крізь товщу зразка між верхнім і нижнім дисковими електродами А і С, а при вимірі поверхневого опору - через поверхневий шар зразка, який розташований в кільцевому зазорі між електродами А і В.

Вимірювання вище зазначених опорів зразків не представляє труднощів, проте на практиці далеко це не простий експеримент, оскільки внаслідок великої величини питомих опорів, особливо в разі високоякісних діелектриків, в схемі протікають настільки слабкі струми, що їх вимірювання виявляється дуже складним.

В цій лабораторній роботі вимірювання питомого опору здійснюється за допомогою цифрового тераомметра. Схема вимірювання об'ємного опору плоского зразка діелектрика представлена на рис. 2.2.

1

1

Рис. 2.2 - Віртуальний стенд для виміру об'ємного опору діелектриків

Струм від джерела живлення пропускається крізь товщу зразка між нижнім дисковим електродом (так званим високовольтним електродом, оскільки до нього прикладений високий потенціал) і верхнім дисковим електродом (так званим вимірювальним електродом) і вимірюється цифровим тераомметром.

Струм який вимірюється являється об'ємним струмом витоку, оскільки поверхневий струм витоку з електроду С не потрапить на електрод А і “збирається” кільцевим електродом В, що виконує роль оборонного кільця і далі відводиться на землю, минувши гальванометр. Електрод В, маючи практично той же потенціал, що і вимірювальний електрод А, сприяє усуненню крайового ефекту біля цього електроду і тим самим створює практично однорідне електричне поле в зразку між електродами А і С. Вимірюючи вольтметром прикладену до зразка напругу U (у вольтах) і струм, що протікає через зразок, можна визначити об'ємний опір зразка R_V :

R_V _IV _aCD _n [Ом].

U

U

Користуючись відомим співвідношенням:

R_V _V ^h , де _V – питомий опір зразка, Омм; h – товщина зразка, м; S – площу електроду А, м².

Та виражаючи S через діаметр електроду А: S^1 ,

отримаємо наступне співвідношення для визначення величини питомого об'ємного опору експирементального зразка:

2

_V _4aCD _nh [Омм].

На рис. 2.3 показаний віртуальний стенд вимірювання поверхневого опору плоского зразка. Від попередньої схеми її відрізняє спосіб включення зразка.

Рис. 2.3 – Віртуальний стенд для вимірювання поверхневого опору діелектриків

S

2

d

4

Ud

1

Якщо електрод А знову є вимірювачем, тобто залишається сполученим з гальванометром, то інші електроди помінялися ролями: кільцевий електрод В став високовольтним, а електрод С - оборонним. При цьому гальванометр вимірює поверхневий струм в кільцевому зазорі між електродами А і В, а об'ємний струм витоку, який міг би також протікати від електроду В до електроду А, відводиться електродом С на землю і минає гальванометр. Вимірявши напругу U (у вольтах), прикладену до зразка, і поверхневий струм витоку

I_S aC_D n,

можна визначити поверхневий опір зразка R_S:

R_S _IS _aCD _n [Ом].

Для круглих електродів зв'язок між поверхневим опором зразка R_S, питомим поверхневим опором діелектрика _S і розмірами електродів d₁ і d₂ виражається наступним співвідношенням:

R_S _S _(d2 _{d )} [Ом],

де _S вимірюється в [Омм], а d₁ і d₂ - в будь-яких однакових одиницях довжини.

Вимірявши R_S і знаючи діаметри d₁ і d₂, можна обчислити величину питомого поверхневого опору експериментального зразка:

_S _aCD _n(d2 ^{d )}1₎ [Омм].

Типові завдання для виконання роботи

Експеримент №1. Дослідження залежності питомого об'ємного опору від температури матеріалу.

1. Отримати від викладача завдання і ознайомитися з ним.

U

U

−

d

d

2

1

1







U

(d

2

1

−d

Виконання даного етапу роботи полягає у тому, що студент повинен перейти до вкладки «Завдання» на віртуальному лабораторному стенді і ознайомитися з завданням для виконання лабораторної роботи.

2. Зібрати схему вимірювання об’ємного опору, перетягуючи відповідні клеми на віртуальному стенді (рис. 2.4).

Рис. 2.4 – Схема для вимірювання поверхневого опору діелектриків

3. Підтвердіть введення схеми натискуючи кнопку «Завершити введення схеми». Якщо Ви помилилися і хочете повторити введення, то натискуйте кнопку «Відмінити введення». Пам'ятаєте, що до тих пір, поки Ви правильно не зберете схему кнопка включення стенду буде заблокована, і Ви не зможете приступити до експерименту.

4. Зібравши схему необхідно включити стенд, джерело постійної напруги та цифровий тераоометр. Також необхідно правильно вибрати діапазон вимірювань.

5. Дослідіть залежність об'ємного опору від температури для матеріалу, діапазону і кроку зміни по температурі, вказаних в завданні. Для цього необхідно, вимірювати значення об’ємного пору змінюючи значення температури термостаті.

6. Для розрахунку питомих об'ємних опорів скористайтеся наступним співвідношенням:

2

_V _4aCD _nh [Омм].

7. Побудувати залежність _Vtвідповідно до знайдених значень питомих опорів _V .

Експеримент №2. Дослідження залежності питомого об'ємного опору від напруги прикладеної до діелектрика.

1. Зібрати схему вимірювання об’ємного опору, перетягуючи відповідні клеми на віртуальному стенді (рис. 2.2).

2. Підтвердити введення схеми та включити стенд, джерело постійної напруги та цифровий тераоометр, а також правильно виберіть діапазон вимірювань.

3. Дослідіть залежність об'ємного опору від напруги прикладеної до діелектрика. Для цього необхідно, вимірювати значення об’ємного пору змінюючи напругу, яка прикладена до діелектрика.

4. Розрахуйте значення питомих об'ємних опорів, для кожної з досліджених напруг та побудуйте графік залежності _V U .

Експеримент №3. Дослідження залежності поверхневого питомого об'ємного опору від напруги прикладеної до діелектрика.

1. Зібрати схему вимірювання об’ємного опору, перетягуючи відповідні клеми на віртуальному стенді (рис. 2.3) та підтвердити введення схеми.

2. Дослідіть залежність поверхневого опору від напруги прикладеної до діелектрика. Для цього необхідно, вимірювати значення поверхневого пору змінюючи напругу, яка прикладена до діелектрика.

3. Розрахуйте значення питомих поверхневих опорів, для кожної з досліджених напруг та побудуйте графік залежності _S U .

4. Зробити висновки по виконаній роботі та підготувати звіт по виконаній роботі відповідно до встановлених вимог.

Звіт по лабораторній роботі повинен містити:  тему та мету лабораторної роботи;

 завдання до лабораторної роботи;

 схематичне зображення віртуальних вимірювальних стендів;

 всі розрахункові формули, які використовувались для обробки результатів експериментів;

Ud

1





 таблиці з результатами експериментів;

 графіки залежності експериментальних залежностей; висновки по отриманим результатам.

Контрольні питання

1. Чим викликана електропровідність діелектриків? 2. Що є носіями заряду в твердих діелектриках?

3. В чому полягає природа крізного струму (струму витоку), струму зсуву, струму абсорбції?

4. Що таке питомий поверхневий і питомий об'ємний опір?

5. Якій спільній закономірності підкоряється зміна питомого опору діелектриків від температури?

6. Від яких чинників залежить питомий поверхневий опір діелектриків?

7. У чому полягає методика вимірювання питомого об'ємного і питомого поверхневого опорів?

Лабораторна робота №3