ИЭ / Лабораторные / 4 лаба / №4 Электропроводность диэлектриков

ДАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы – ознакомление студентов с основными представлениями о прохождении электрического тока через диэлектрик, с методикой измерения удельных объемного ρV и поверхностного ρS сопротивлений, анализ факторов, влияющих на величину электропроводности электроизоляционных материалов.

Основные положения

Электрический ток – упорядоченное перемещение в веществе электрических зарядов под действием электрического поля. Необходимое условие возникновения электропроводности – наличие свободных носителей заряда. Идеальный диэлектрик не содержится свободных зарядов, все заряды в нем связаны. Вместе с тем, опыт показывает, что все электроизоляционные материалы в той или иной степени способны проводить ток. То есть реальный диэлектрик содержит некоторое количество свободных носителей (в материалах неизбежны загрязнения: примеси воды, солей, кислот, щелочей и т.д.).

Природа носителей заряда и механизмы электропроводности в диэлектриках зависят от их агрегатного состояния и величины

напряженности электрического поля Е [ мВ ].

Вгазах свободные носители возникают под действием внешних ионизирующих факторов (космических, радиоактивных, рентгеновских излучений и высоких температур) и внутренних факторов (ударная ионизация под воздействием электрического поля).

Вжидкостях электропроводность обусловлена ионами примесей (неполярные жидкости), диссоциацией (растворением, распадом) молекул самого диэлектрика с образованием свободных ионов (полярные жидкости), молионами – мелкодисперсными заряженными частицами (коллоидные системы).

Втвердых веществах носителями заряда являются: ионы примесей, слабосвязанные ионы и ионные вакансии самого материала (в полимерах, керамике и стеклах), свободные электроны и дырки (встречаются редко в некоторых видах керамики и полимеров).

Таким образом, электропроводность диэлектриков не является величиной постоянной и зависит помимо агрегатного состояния от наличия и количества примесей, температуры, влажности, давления, величины электрического поля и т.д.

Различают два типа электропроводности: объемную V = 1/ V [См/м = 1/Ом∙м] и поверхностную S =1/ S [См = 1/Ом].

Рассмотрим общий механизм электропроводности. Под действием электрического поля свободные и слабосвязанные носители зарядов будут перемещаться по направлению к электродам противоположного знака. Средняя скорость направленного движения носителей в направлении поля называется скоростью дрейфа:

Vi = i E ,

Кроме того, скорость дрейфа зависит от массы носителя заряда, поэтому максимальной подвижностью обладают электроны (обладают наименьшей массой).

В общем случае плотность тока в веществе определяется следующей

формулой:

j = n q V = n q E ,

где n – концентрация носителей [ м13 ], q – заряд носителя [Кл].

Выражение для плотности тока также можно записать в виде закона

Ома, представленного в дифференциальной форме:

j = E ,

где γ – удельная электрическая проводимость, определяемая формулой:

= n q .

Как правило, в процессе электропроводности участвуют несколько видов носителей, поэтому величина γ определяется суммой электропроводностей каждого типа частиц:

= (ni qi i )

i=1m

При внесении диэлектрического материала в электрическое поле в нем возникает поляризация. То есть в диэлектрике протекают поляризационные токи (токи смещения) и токи сквозной электропроводности Iскв. В зависимости от вида поляризации различают токи смещения упругосвязанных зарядов электронной и ионной поляризации, а также токи смещения замедленных (релаксационных) видов поляризации, например, дипольной. Такие токи называют абсорбционными Iабс. Таким образом, ток через диэлектрик равен сумме токов смещения электронной и ионной поляризации, абсорбционных и сквозных токов (рис. 1)

Рис.3.Схема подключения образца при определении удельного поверхностного сопротивления

Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению изоляции, складывается из его объемной и поверхностной проводимости. В данной работе для измерения поверхностного электрического сопротивления используют ту же самую систему с тремя металлическими электродами, что и для определения удельного сопротивления (рис. 4). В такой системе удельное поверхностное

где RS – поверхностное электрическое сопротивление образца диэлектрика, заключенного между электродами; d1 – внутренний диаметр кольцевого электрода; d2 – диаметр верхнего электрода.

Рис.4. Размещение трех измерительных электродов на образце 1 – центральный измерительный электрод; 2 – охранное кольцо; 3 – нижний

электрод

Удельное объемное сопротивление имеет в системе СИ размерность [Ом м], а удельное поверхностное сопротивление – [Ом], следовательно, эти два параметра не могут быть численно сопоставлены друг с другом так же, как и удельные объемная и поверхностная проводимости.

Сопротивление изоляции вычисляется по следующей формуле:

Rиз = Rv +Rs Rv Rs

Рассмотрим зависимость электропроводности от температуры. Число диссоциированных ионов (свободных носителей заряда) экспоненциально зависит от температуры:

n= n0 exp −Wдис ,

kT

где n0 – общее число ионов в 1 м3 (концентрация ионов), Wдис – энергия диссоциации, k –постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Подвижность ионов также экспоненциально зависит от температуры, но с другой энергией активации:

где 0 – предельная подвижность иона, Wпер – энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного неравновесного состояния в другое:

Таким образом, чем больше значение энергии диссоциации и энергии перемещения, тем резче изменяется проводимость при изменении температуры. Поскольку обычно Wдис>>Wпер, температурная зависимость проводимости определяется главным образом изменением концентрации свободных носителей. В случае существования в диэлектрике нескольких типов ионов выражение для удельной электропроводности имеет вид:

где Ai = qi n0i 0i, Wi – энергия активации электропроводности.

При низких температурах электропроводность обусловлена в основном ионизированными примесями, при высоких температурах она становится собственной. Поэтому кривые логарифмической зависимости удельной электропроводности от температуры могут иметь изломы. В некоторых случаях эти изломы могут быть связаны с различной энергией диссоциации ионов основного вещества.

При анализе температурной зависимости электропроводности диэлектриков необходимо учитывать и наличие влаги в них. Известно, что с повышением температуры от 20оС до 100оС происходит постепенная сушка увлажненного диэлектрика. При этом в некоторых случаях при повышении температуры наблюдается рост объемного и (или) поверхностного сопротивления, вместо ожидаемого спада.

Помимо выше названных факторов, электропроводность диэлектрика определяется содержанием влаги в объеме и на поверхности образца

обладает высокой электропроводностью и повышенным значением диэлектрической проницаемости. В присутствии воды происходит

диссоциация молекул примесей, что ведет к росту числа свободных носителей заряда и, следовательно, к росту проводимости.

Иногда электроизоляционные материалы находятся в прямом контакте с водой, однако, чаще всего источником влаги является атмосферный воздух, относительная влажность которого может меняться в широких пределах. Пленка влаги (мономолекулярный слой воды) появляется на поверхности твердого тела, начиная с 30% относительной влажности воздуха.

При соприкосновении твердого диэлектрика с окружающей средой, содержащей влагу, имеют место сорбционные процессы: адсорбция воды на поверхности материала и абсорбция воды внутрь диэлектрика.

Причина сорбции – силы, возникающие между полярными молекулами воды и молекулами поверхности диэлектрика. Эти силы могут быть притягивающими, такие поверхности называют гидрофильными, а могут быть и отталкивающими, тогда говорят, что поверхность гидрофобна. К первому типу в основном относятся полярные диэлектрики со смачиваемой поверхностью, ко второму типу – неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой.

Проникновение влаги внутрь диэлектрика осуществляется диффузией. Поскольку эффективный диаметр молекулы воды составляет 2,58 Ǻ, то она способна диффундировать практически во все материалы. Межмолекулярная пористость различных веществ колеблется в пределах от 10 до 50 Ǻ, а внутримолекулярная пористость может достигать 10 Ǻ.

Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в непосредственной зависимости от относительной влажности атмосферы, поэтому относительная влажность является основным фактором, влияющим на удельную поверхностную проводимость материала.

Существует целый ряд показателей, позволяющих оценить количество поглощенной материалом влаги: влагопроницаемость, влагопоглощаемость и т.п. Однако решающим является не количество поглощенной воды, а вызванное увлажнением ухудшение электрических характеристик изоляции, которое для разных материалов при одинаковом содержании влаги различно.

Лучшей влагостойкостью обладают неорганические материалы: вакуумплотная керамика, глазурованный фарфор, бесщелочное стекло и другие. Пористые же неорганические материалы, например, асбест, мрамор, пористая керамика, а также композиционные материалы типа слюдопластов поглощают много воды и резко снижают в связи с этим в процессе эксплуатации свои электроизоляционные характеристики.

Из органических материалов в меньшей степени поглощают влагу неполярные полимеры: фторопласт, полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен и др. Полярные органические диэлектрики (поливинилхлорид, термореактивные пластмассы и др.) поглощают больше воды. Особенно интенсивно увлажняются материалы на основе целлюлозы, такие как бумага, картон, гетинакс, текстолиты. Эти виды изоляции можно использовать только в сухом состоянии, причем они должны защищаться от влаги лакированием, пропиткой. Однако все виды защиты лишь замедляют

процесс увлажнения. Единственно надежным средством является герметизация, что не всегда возможно и целесообразно.

Очевидно, что для удаления влаги из изоляции электротехнических устройств необходимо проводить сушку изделий при повышенной температуре. Однако, повышение температуры – не единственный способ повысить скорость испарения влаги. Величина атмосферного давления также влияет на скорость испарения. При более низком давлении испарение влаги более интенсивное. На практике для ускорения процесса сушки используют совместное воздействие повышенной температуры и низкого атмосферного давления. Изделия, из которых необходимо удалить влагу (обмотки трансформаторов, стержни обмоток электрических машин и др.) помещают в вакуумно-термические камеры, где создаются условия для быстрого удаления влаги. Как правило температура в сушильных камерах составляет 70 – 80 0C, а давление 1 – 5 мм рт. ст.

Описание измерительной установки

Для измерения объемного RV и поверхностного RS сопротивлений исследуемых образцов используется электродная система, изображенная на рис. 4. В случае измерения RV верхний электрод (1) является измерительным и имеет нулевой потенциал. Охранное кольцо (2) также имеет нулевой потенциал и необходимо для исключения поверхностных токов. Нижний электрод (3) является потенциальным и необходим для создания электрического поля в исследуемом образце. При измерении RS охранное кольцо (2) выступает в роли потенциального электрода, а нижний электрод

(3) становится заземленным. Режим измерения выбирается с помощью переключателя (RV / RS). Измерительная ячейка с исследуемым образцом помещены в термостат, который дает возможность исследовать температурные зависимости RV(T) и RS(T). Упрощенная блок схема экспериментальной установки изображена на рис. 5.

Рис. 5. Упрощенная блок схема экспериментальной установки

Процесс измерения сопротивления при комнатной температуре

1.Закрепить исследуемы образец в измерительной ячейке.

2.Выбрать необходимый режим измерения на переключателе RV / RS.

3.Для начала измерения на тераомметре нажать кнопку «Charge», после чего загорится красный сигнал с под надписью «HV». Внимание! После нажатия кнопки исследуемый образец находится под напряжением. Запрещается замена образца и другие манипуляции с измерительной ячейкой!

б) почему это влияние различно для материалов разной структуры (проанализировать степень снижения V и S);

в) объяснение температурных зависимостей V и S.

Контрольные вопросы

1.В каких пределах лежат значения сопротивления диэлектрических материалов?

2.Почему различают объемное и поверхностное сопротивления?

3.Каковы основные виды электропроводности?

4.Из каких составляющих складывается полный ток через диэлектрик?

5.Чем определяется проводимость всех электротехнических материа-

лов?

6.От чего зависит электропроводность диэлектриков?

7.Будет ли отличаться значение сопротивления электроизоляционного материала, измеренное на постоянном и переменном напряжении?

8.Почему вода вызывает деградацию электрических характеристик изоляции?

9.Что такое гидрофильные и гидрофобные диэлектрики?

10.Какие существуют формы связи воды в материале?

11.Чем обусловлена электропроводность диэлектрика при низкой и высокой температурах?

12.Как могут быть объяснены несколько изломов зависимости lnRv=f(T)?

Литература

1.Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы: Учеб. для вузов.– Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.

2.Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982. –

320 с.

3.Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учеб. для вузов. – СПб.: Изд-во «Лань», 2001. – 368 с.

4.Казарновский Д.М., Тареев Б.М. Испытание электроизоляционных материалов

иизделий. – Л.: Энергия, 1980. – 214 с.

5.Колесов С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов / С. Н. Колесов, И. С. Колесов.– М. : Высш. шк., 2004.– 519 с. (Гл. 2 «Поляризация диэлектриков». С. 41–64; гл. 7 «Диэлектрические материалы. Строение и свойства». С.

229–254).

6.Полонский Ю.А. Электротехническое материаловедение. Диэлектрики, проводники, сверхпроводники /А. М. Андреев, Н. М. Журавлева, Т.Н. Муравьева.- СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014.- 190 с.