Внимание!

К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, успешно сдавшие зачет по правилам техники безопасности при работе с высоковольтными установками

Лабораторная работа № 1 электропроводность диэлектриков

Цель работы – освоение методики измерения удельных объемных и удельных поверхностных сопротивлений твердых электроизоляционных материалов (ЭИМ).

Общие сведения. Электропроводностью ЭИМ называют способность материала проводить электрический ток. Протекание тока проводимости связано с наличием в ЭИМ небольшого количества свободных электрических зарядов, носителями которых являются ионы примесей, ионы самого диэлектрика, а у некоторых материалов – свободные электроны. У газообразных и жидких ЭИМ свободные заряды распределены в объеме вещества. У твердых же диэлектриков некоторая часть зарядов – ионов адсорбирована на поверхности. Поэтому электроизоляционные материалы в газообразном и жидком агрегатном состояниях характеризуются только объемной электропроводностью, а твердые вещества – объемной и поверхностной электропроводностью.

П од действием электрического поля в ЭИМ возникают токи объемной – и поверхностной – утечки (рис. 1). Для количественной оценки электропроводности материала введены понятия удельного объемного ρ_V и удельного поверхностного ρ_S сопротивлений.

У

Рис. 1. Пути утечки токов

дельное объемное сопротивление равно сопротивлению куба с ребром, равным единице длины, мысленно вырезанного из ЭИМ так, что ток проходит только через две противоположные грани этого куба. Объемная электропроводность диэлектрика зависит от структуры вещества и нарушений этой структуры (наличия примесей и дефектов в виде пор, микротрещин). Кроме того, она зависит от температуры и других физических факторов.

Поверхностная электропроводность представляет собою электропроводность весьма тонкого слоя газа или жидкости, окружающего твердый электроизоляционный материал. Число адсорбированных на поверхности диэлектрика ионов зависит от влажности окружающей среды, структурного строения диэлектрика и физических свойств его поверхности.

Удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению квадрата любых размеров, мысленно выделенного на поверхности ЭИМ так, чтобы ток проходил через две противоположные стороны квадрата. Его значение тем выше, чем меньше полярность диэлектрика, чем лучше отполирована и чище его поверхность.

Обозначим через – объемное сопротивление образца материала, через R_S – поверхностное сопротивление. Тогда

, (1)

где U – напряжение, приложенное к образцу;

– соответственно токи, протекающие сквозь образец и по его поверхности.

Если площадь электродов, наложенных на образец, S, см², а толщина материала d, см, то

. (2)

Если наложить на поверхность изоляционного материала параллельно два электрода длиною , см, и разделить их на расстояние , см, то

. (3)

Для измерения величин ρ_V и ρ_S применяют образцы ЭИМ, отвечающие требованиям стандартов, и электроды соответствующей формы. Сторона квадрата плоского образца 50–100 мм, толщина 0,5–2,0 мм. В [1] приведены рекомендуемые формы и размеры электродов плоских образцов материалов, а также различные методы определения величин ρ_V и ρ_S, среди которых метод непосредственного отклонения, метод сравнения и метод заряда конденсатора.

Электроизоляционные материалы, используемые для электротягового оборудования, характеризуются значениями . Такие сопротивления можно измерить методом непосредственного отклонения с помощью зеркального баллистического гальванометра с динамической постоянной по току . Постоянное напряжение, подводимое к образцу ЭИМ, необходимо выдержать в течение 1 мин с целью исключения влияния токов поляризации и абсорбции, после чего произвести измерение. Напряжение должно обеспечивать напряженность электрического поля Е в образце не менее 500 В/мм.

Программа работы

1. Определить постоянную гальванометра по току .

2. Определить удельное объемное сопротивление нескольких образцов листовых твердых материалов.

3. Определить удельное поверхностное сопротивление тех же образцов.

4. Сравнить результаты измерений и с данными, приводимыми в справочной литературе [2].

Указания к выполнению работы

1. Для градуировки гальванометра по току собрать схему (рис. 2, а). Подобрать сопротивления так, чтобы при изменении напряжения от 0 до 100 В отклонения гальванометра составляли бы не менее одной четверти шкалы. Затем измерить отклонение при трех достаточно сильно разнящихся значений напряжения и определить среднее значение постоянной гальванометра по току , А/мм. Для расчета использовать формулу

.

2. Удельное объемное и поверхностное сопротивления измерить при высоком напряжении. Выполняя опыт, необходимо строго соблюдать все требования, предусмотренные правилами техники безопасности.

Для измерения удельного объемного сопротивления собрать схему (рис. 2, б). Для этого испытуемый образец укладывается на плоский электрод Э и плотно прижимается к нему верхним электродом, выполненным в виде цилиндрической гири.

Для исключения протекания поверхностного тока через гальванометр и его шунт на поверхность испытуемого образца накладывается охранное кольцо ОК, соединенное с зажимом «земля».

а)

б)

в)

Рис. 2. Схемы для градуирования гальванометра (а)

и измерений сопротивлений ЭИМ (б – удельного объемного, в – поверхностного)

С помощью добиваются, чтобы отклонение при изменении напряжения U от 0 до 1000 В было удобным для измерения.

Измерить сопротивление для двух значений напряжения U = 800 и 1000 В. Каждое измерение повторяется при положительной и отрицательной полярности электрода Э. Действительное значение отклонения находится как среднее арифметическое:

.

Ток сквозь электроизоляционный материал вычислить по формуле

. (4)

Удельное объемное сопротивление рассчитать по выражению (2).

3. Для измерения удельного поверхностного сопротивления собрать схему (рис. 2, в). Порядок работы аналогичен описанному выше. Ток рассчитать по формуле, аналогичной (4), а удельное поверхностное сопротивление ρ_S по формуле (3).

Все полученные данные свести в табл. 1.

Таблица 1

Наименование ЭИМ		Ом	, мм	, А	, Ом  см	, А	Ом	Данные из справочника		Значения измеренных параметров
										= ... А/мм = ... Ом = ... = ... см = ... см = ... см b =... см