7 Включить рс 62

Литература 63

8 Приложение 1 64

9 Приложение 2 64 предисловие

Сборник содержит описания работ, выполняемых при изучении курсов по электротехническому материаловедению студентами электротехнического, радиоэлектронного , электроэнергетического, электромеханического направлений.

В лабораторных работах, описания которых представлены в настоящем пособии, исследуются диэлектрические, полупроводниковые, проводниковые и магнитные материалы, находящиеся под воздействием различного рода электрических, магнитных и тепловых полей, определяются зависимости характеристик материалов от изменений внешних условий. Описания работ содержат теоретические основы по разделам курса, классификации материалов, методические указания по выполнению заданий и стандартным методам обработки экспериментальных данных.

Выполнение лабораторной работы предполагает самостоятельную подготовку по лекциям и литературным источникам (библиографический список дан в пособии), проведение работы в лаборатории, самостоятельную расчетную работу и оформление отчета по лабораторной работе.

Отчет содержит:

• титульный лист с наименованием лабораторной работы, названием кафедры, Ф.И.О. студента и преподавателя;

• конкретное задание;

• основные формулы и соотношения, по которым проводился расчет;

• таблицы (протоколы) с результатами экспериментов;

• графики, выполненные в соответствии с требованиями преподавателя;

• краткие письменные выводы, объясняющие соответствие (или несоответствие) полученных зависимостей теоретическим.

Работы выполняются при строгом соблюдении правил техники безопасности с разрешения и при присутствии преподавателя.

Лабораторные работы поставлены на кафедре физики и технологии электротехнических материалов и компонентов и электротехнологических комплексов МЭИ (ТУ). Каждое занятие рассчитано на 4 часа работы в лаборатории и 4 часа самостоятельной работы.

Постановка лабораторных работ и подготовка настоящего лабораторного практикума проходила при содействии авторам А.С. Воробьева, В.А. Филикова и других сотрудников кафедры ФЭМАЭК.

Авторы выражают благодарность рецензенту сборника А.П. Черкасову.

Лабораторная работа №1

1.1Определение удельных электрических сопротивлений твердых диэлектриков

Цель работы

Освоение методики измерений на постоянном токе удельного объемного ρ_v и удельного поверхностного ρ_s сопротивлений твердых диэлектриков. Определение температурных зависимостей ρ_v и ρ_s для различных напряжений.

Домашнее задание

1. Изучите физические основы и характерные черты явления электропроводности твердых диэлектриков. Изучите влияние различных факторов на электропроводность диэлектриков.

2. Ознакомьтесь с методикой определения удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений на постоянном токе.

3. Ознакомьтесь с порядком проведения работы, обработкой полученных результатов и правилами оформления отчета о выполненной работе.

Общие положения

Отличительным свойством диэлектриков, используемым в электроизоляционной технике, является очень слабая способность проводить электрический ток. Низкая электропроводность диэлектриков обусловлена тем, что при обычных условиях (низких температурах и напряженностях электрического поля) в них имеется весьма малое количество носителей заряда по сравнению с проводниками и полупроводниками. По своему характеру электропроводность диэлектриков является главным образом ионной.

Под действием приложенного постоянного напряжения через электрическую изоляцию протекает ток утечки, который состоит из объемного и поверхностного токов утечки. Объемный ток проходит через внутренние области изоляции и обусловлен величиной объемного сопротивления R_v. Поверхностный ток утечки проходит через поверхностные слои изоляции и обусловлен величиной поверхностного сопротивления изоляции R_s. Понятие поверхностного сопротивления вводят применительно к твердой изоляции, так как в результате внешних воздействия внешних загрязнений, например, влаги, электропроводность наружных слоев изоляции может быть значительно большей по сравнению с проводимостью внутренних областей. В таких случаях низкое значение электрического сопротивления изоляции определяется большим поверхностным током утечки.

Для оценки качества диэлектриков с точки зрения их способности препятствовать прохождению через них электрического тока пользуются такими характеристиками как удельное объемное сопротивление ρ_v и удельное поверхностное сопротивление ρ_s, которые являются величинами, обратными удельной объемной проводимости γ_v и удельной поверхностной проводимости γ_s.

При повышении температуры удельные сопротивления электроизоляционных материалов уменьшаются. У твердых диэлектриков это явление объясняется главным образом увеличением числа носителей заряда при нагревании. Для ограниченного интервала температур зависимость удельного объемного сопротивления от температуры достаточно точно выражается формулой

, (1)

где - удельное объемное сопротивление при температуре t^оC;

- удельное объемное сопротивление при температуре 0⁰С;

α - коэффициент, зависящий от природы материала, характеризующий скорость снижения сопротивления диэлектрика с ростом температуры.

Сопротивление диэлектриков в ряде случаев зависит также от величины приложенного напряжения, уменьшаясь при ее возрастании. Эта зависимость обнаруживается при неплотном прилегании электродов к поверхности изоляции. Она также наблюдается и у пористых материалов в результате перераспределения влаги в капиллярах под действием приложенного напряжения, а также в случае образования объемных зарядов в диэлектрике, создающих электродвижущую силу высоковольтной поляризации. Следует отметить, что здесь подразумеваются такие напряжения, значения которых далеки от пробивного напряжения изоляции.

Описание лабораторной установки

Определение удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений производится обычно на одном и том же испытуемом образце ИО, на котором располагаются высоковольтный ВЭ, измерительный ИЭ и охранный ОЭ электроды (рис.1. а и б).

(а) (б)

Рис. 1. Схема измерения объемного Rv (а) и поверхностного Rs (б) сопротивлений образца на постоянном токе

При измерении объемного сопротивления образца высокое напряжение U подается к ВЭ. Ток протекает через объем диэлектрика между ВЭ и ИЭ. Электрод ОЭ заземлен. Поэтому ток протекающий по поверхности образца, отводится на землю и не измеряется измерительным прибором. Заземление ОЭ обеспечивает выравнивание электрического поля у краев электродов. Для учета неоднородности поля принимается, что ток протекает через поперечное сечение диаметром D₀, равном

(1.1.2)

.

Удельное объемное сопротивление ρ_v (Ом^.м) связано с сопротивлением R_v, геометрическими размерами электродов D₁, D₂ (м) и толщиной образца h (м) и рассчитывается по формуле

(1.1.3)

Охранный электрод, имея практически тот же потенциал, что и измерительный электрод ИЭ, способствует устранению краевого эффекта у этого электрода и тем самым создает практически однородное электрическое поле в образце между электродами ИЭ и ВЭ.

При измерении поверхностного сопротивления напряжение подается на электрод ОЭ. Электрод ВЭ заземлен, поэтому объемный ток, протекающий через образец, отводится на землю и не измеряется измерительным прибором (ИП). Считается, что ток протекает по пути длиной l (м), равном

(1.1.4)

и «сечением» S_п

(1.1.5)

Удельное поверхностное сопротивление _s (Ом) связано с геометрическими размерами электродов D₁, D₂ (м) и поверхностным сопротивлением R_s (м) и рассчитывается по формуле

(1.1.6)

Лабораторный стенд состоит из термостата, с помощью которого осуществляется изменение, измерение и поддержка температуры исследуемого образца и измерительного прибора – тераомметра (специальный прибор для измерения больших сопротивлений), измеряющего поверхностное R_s и объемное R_v сопротивление образцов. На рис.2 приведена измерительная установка, включающая в себя: термостат, в котором размещается испытуемый образец и тераомметр Е3-16А.

Рис.2. Лабораторный стенд.

Переключение схемы измерения поверхностного и объемного сопротивлений осуществляется с помощью тумблера «R_s/ R_v», находящегося на лицевой панели термостата (рис.3.)

Рис.3.

Постоянное напряжение на образец подается с тераомметра. Источник питания тераомметра обеспечивает два напряжения – 10 и 100В. Соответственно измерения проводятся для этих напряжений.

По результатам измерения R_s и R_v с учетом геометрических размеров электродов рассчитываются удельное поверхностное ρ_s и удельное объемное ρ_v сопротивление. Образец размещается в камере, которая помещается в термостат. Как отмечалось выше схемы подключения электродов, различаются при измерении объемного и поверхностного сопротивлений.

Отсчет показаний тераомметра производят через 1 мин после замыкания этого рубильника. Дело в том, что как объемное, так и поверхностное сопротивление образца при постоянном напряжении определяют по сквозному току утечки, обусловленному нейтрализацией электрических зарядов на электродах. Но в начале действия напряжения на сквозной ток накладывается постепенно спадающий до нуля ток абсорбции, обусловленный перемещением связанных зарядов, обусловленных замедленными видами поляризации. Обычно ток абсорбции затухает в пределах одной минуты. По этой причине, а также для получения сравнимых результатов при различных испытаниях условились фиксировать ток при определении удельных сопротивлений диэлектриков ровно через одну минуту после подачи напряжения.

Нагрев образца осуществляется внутри рабочей камеры термостата, куда помещается приемная кассета с исследуемым образцом. Конструкция камеры обеспечивает одинаковую температуру для всего объема рабочей камеры. Измерение, регулирование и поддержание температуры на заданном уровне осуществляется с помощью термодатчика, смонтированного внутри рабочей камеры термостата.

Рис.3. Органы управления и индикации термостата.

Требуемое значение температуры задается с помощью кнопок <-> и <+>. При этом задаваемое значение температуры отображается на трехразрядном индикаторе (рис.3.). Процесс разогрева (остывания) до заданной температуры осуществляется автоматически. Контроль текущей температуры в камере термостата относительно заданной осуществляется с помощью одного из трех индикаторов: «Б» - больше, «Н» - норма, «М» - меньше. Достижение температуры заданного значения сопровождается звуковой сигнализацией.

Значение текущей температуры выводится на индикатор нажатием кнопки Измерение Т.