Министерство образования и науки

Российской Федерации

Ивановский государственный энергетический университет

Кафедра высоковольтных электроэнергетики,

электротехники и электрофизики

Материаловедение

Методические указания к лабораторным работам

Иваново 2004

Составили: с. Н. Горячкин,

М. Е. ТИХОВ,

Г. А. ФИЛИППОВ,

В. Б. ХАРЬКОВСКИЙ,

С. В. ШИЛОВ,

Редактор С. Н. ГОРЯЧКИН

Методические указания предназначены для студентов всех специальностей электроэнергетического и электромеханического факультетов, а также студентов заочного факультета электротехнических специальностей, изучающих дисциплину «Материаловедение».

Методические указания утверждены цикловой методической комиссией электроэнергетического факультета.

Рецензент

кафедра высоковольтных электроэнергетики, электротехники и электрофизики Ивановского государственного энергетического университета

Лабораторная работа М – 1

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ, ПРОВОДНИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Инструкция по технике безопасности и охране труда

1. Измерения удельных сопротивлений диэлектриков и измерение тока, протекающего через диски рабочих сопротивлений вентильного разрядника и ограничителя перенапряжений, проводятся на высоком напряжении (до 3 кВ), поэтому необходимо тщательное соблюдение мер безопасности, перечисленных в общих правилах работы в установках с напряжением свыше 1000 В.

2. Перед началом работы необходимо проверить наличие заземления корпуса мегомметра Ф–4101 и корпуса нагревательного шкафа.

3. Смену образцов диэлектриков, подключаемых к мегомметру, производить только при отключенном от источника питания мегомметре.

4. Перед началом измерений опустить колпак, закрывающий высоковольтные выводы мегомметра, и закрыть дверцу нагревательного шкафа.

Целью настоящей работы является практическое ознакомление c методами определения удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений диэлектриков, исследование влияния температуры на электропроводность диэлектриков и проводников, изучение зависи­мости электропроводности полупроводников от температуры, освещеннос­ти и напряженности электрического поля.

1.1. Предварительные сведения

Все электротехнические материалы при наложении на них электрического поля в той или иной мере обнаруживают свойство электропро­водности. В зависимости от величины удельного сопротивления все материалы по своим электрическим свойствам подразделяются на три группы:

1. Диэлектрики, обладающие большим удельным сопротивлением (  10⁸ Ом∙м);

2. Проводники, хорошо проводящие электрический ток (  10^-4 Ом∙м);

3. Полупроводники (10^-4    10⁸ Ом∙м), занимающие промежуточное положение между диэлектриками и проводниками.

Через образец диэлектрика под воздействием приложенного к его электродам постоянного напряжения протекает ток, имеющий две составляющие, в зависимости от пути протекания тока. Одна из них представляет собой ток, протекающий по поверхности диэлектрика. Этот ток называют током поверхностной проводимости. Вторая составляющая – ток, протекающий через объем диэлектрика. Этот ток называ­ют током объемной проводимости. Для сравнительной оценки различных электроизоляционных материалов в отношении их объемной и поверхност­ной электропроводности пользуются значениями удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений.

В случае плоского образца удельное объемное сопротивление материала рассчитывается по формуле:

, (1.1)

где – объемное сопротивление образца, Ом;

– площадь электрода, м²;

– толщина образца, м.

Удельное поверхностное сопротивление определяется по формуле:

, (1.2)

где – поверхностное сопротивление материала между парал­лельно установленными на его поверхности электродами, Ом;

– длина электродов, м;

– расстояние между электродами, м.

Определение удельных сопротивлений диэлектриков сводится к измерению сопротивлений образцов, включенных в измерительную цепь, при постоянном напряжении по методу амперметра и вольтметра или мегомметром. Удельные объемные и поверхностные сопротивления рассчитываются по значениям объемного и поверхностного сопротивлений с учетом формы и геометрических размеров образцов и электродов.

Важное практическое значение имеет зависимость сопротивления диэлектриков и проводников от температуры. Для жидких и твердых диэлектриков удельное объемное сопротивление диэлектриков изменятся с ростом температуры t по экспоненциальному закону:

, (1.3)

где – значение удельного сопротивления при температуре ;

– постоянный коэффициент, характеризующий данный диэлектрик.

Согласно выражению (1.3) температурный коэффициент удельного сопротивления диэлектриков равен:

. (1.4)

Отрицательное значение указывает на то, что удельное сопротивление диэлектриков уменьшается с ростом температуры.

Для проводников зависимость удельного сопротивления от температуры в узком диапазоне изменения последней описывается выражением

, (1.5)

где – значение удельного сопротивления при температуре ;

– температурный коэффициент удельного сопротивления.

Положительное значение свидетельствует о том, что с ростом температуры сопротивление проводников увеличивается.

В расчетах часто используется средний температурный коэффициент сопротивления для заданного интервала температур и , который может быть рассчитан по формуле:

, (1.6)

где – значение сопротивления при температуре ;

– значение сопротивления при температуре .

Полупроводниковые материалы по удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они обладают совокупностью специфических свойств, которые и выделяют их среди других веществ. Для полупроводников характерна сильная зависимость значения удельной проводимости от вида и количества содержащейся в них примесей, температуры, освещенности, напряженности электрического поля и т. п.

Электропроводность терморезистора зависит от температуры в соответствии с формулой:

, (1.7)

которая при логарифмировании дает

, (1.8)

где – энергия переброса электрона в свободную зону (ширина запрещенной зоны), Дж;

– электропроводность, См;

– постоянная;

– абсолютная температура, К;

– постоянная Больцмана, Дж/К.

Если известны значения и для температур и , то значение , Дж, может быть рассчитано по формуле

. (1.9)

Значения в эВ получаются путем пересчета Дж в эВ при условии, что 1 эВ = 1,6 10^-19 Дж.

Полупроводниковые соединения на основе карбида кремния (вилит и тирит) широко применяются для изготовления нелинейных сопротивлений, используемых в вентильных разрядниках (РВ). Нелинейные сопротивления на основе окиси цинка применяются в нелинейных ограничителях перенапряжений (ОПН), которые в настоящее время устанавливаются взамен вентильных разрядников. Данные аппараты применяются в электроэнергетике для защиты высоковольтных линий электропередачи, электрооборудования станций и подстанций от различного рода перенапряжений. Важнейшей характеристикой этих аппаратов является вольт-амперная характеристика нелинейных сопротивлений, которая описывается уравнением:

, (1.10)

где – постоянная;

– коэффициент нелинейности.

В широком диапазоне токов вольт-амперная характеристика в логарифмическом масштабе, , аппроксимируется двумя отрезками разного наклона с небольшой переходной областью между ними. Для каждого отрезка действительно уравнение (1.10) с соответствующими значениями коэффициентов и . Коэффициент нелинейности для области малых токов всегда больше коэффициента для области больших токов. Значения коэффициента нелинейности для заданного диапазона измерения токов при известной вольт-амперной характеристике рассчитывается по формуле

. (1.11)