Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Исследование удельного объемного и поверхностного сопротивления тве

..pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
418.21 Кб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Кафедра «Конструирование и технологии в электротехнике»

ИССЛЕДОВАНИЕ УДЕЛЬНОГО ОБЪЕМНОГО И ПОВЕРХНОСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ

ДИЭЛЕКТРИКОВ

Методические указания к лабораторным работам

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2014

Составитель доцент В.В. Черняев

УДК 621.315 И85

Рецензент канд. техн. наук, профессор Л.А. Ковригин

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Исследование удельного объемного и поверхностного И85 сопротивления твердых диэлектриков: метод. указания к лабораторным работам / сост. В.В. Черняев. – Пермь: Изд-

во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 19 с.

Приводятся методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Электротехническое и конструкционное материаловедение».

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения, обучающихся по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».

УДК 621.315

© ПНИПУ, 2014

2

Цель работы изучение физических основ электропроводности диэлектриков и методики измерения удельных объемного и поверхностного сопротивлений диэлектриков; исследование влияния различных факторов на проводимость диэлектриков.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Диэлектрики, при приложении напряжения, не должны пропускать электрический ток (т.е. удельное сопротивление их должно быть бесконечно большим), поскольку чем больше удельное сопротивление – тем выше качество электроизоляционного материала. Однако все практически применяемые технические диэлектрики пропускают некоторый, обычно незначительный, ток, называемый током утечки Iут . Этот ток представляет собой сумму 2 токов:

сквозного тока Iскв и тока абсорбции Iабс :

Iут = Iскв + Iабс .

Сквозной ток Iскв представляет собой направленное перемеще-

ние, под действием приложенного напряжения, свободных заряженных частиц и обусловлен, главным образом, передвижением ионов. У некоторых материалов при определенных условиях он может быть вызван также наличием свободных электронов (электронная проводимость наиболее заметна при сильных электрических полях). Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества на электроды, а при электронной электропроводности это явление не наблюдается.

Величина Iскв в большой степени зависит от качества изоляцион-

ного материала и наличия в нем примесей. Очень малые количества примесей заметно влияют на электропроводность, поэтому в процессе производства электроизоляционных материалов важна исключительная чистотаисходныхматериаловитехнологических процессов.

Ток абсорбции Iабс можно представить как результат протекаю-

щих в диэлектрике медленных видов поляризации (ограниченного смещения связанныхзарядов илиориентациидипольных молекул):

3

N

Iабс = Ii , i=1

где Ii – активная составляющая тока, обусловленная i -м видом

поляризации, N – количество медленных видов поляризации в рассматриваемом диэлектрике.

При работе диэлектрика на постоянном напряжении поляризационные токи (называемые также токами абсорбции Iабс )

протекают лишь в короткие промежутки времени после включения и выключения напряжения (рис. 1). У большинства диэлектриков время существования тока абсорбции не превышает долей секунды, но в некоторых случаях оно может достигать десятков секунд и больше. На практике, в ходе электрических измерений, время протекания поляризационных процессов принимают равным одной минуте, после чего считается, что в диэлектрике остается лишь Iскв .

Рис. 1. Зависимость тока утечки Iут от времени воздействия постоянного напряжения

При переменном напряжении ток в диэлектрике обычно на несколько порядков превышает ток сквозной электропроводности

4

( Iут >> Iскв ), так как при изменении полярности приложенного напряжения основную роль играют поляризационные процессы ( Iабс ).

Вследствие этого может создаться ошибочное представление о высокой проводимости изоляционного материала. Чтобы это исключить, в большинстве инженерных задач измерение сопротивления изоляции проводят на постоянном напряжении.

Иногда, если диэлектрик длительно находится под напряжением, ток утечки Iут с течением времени может уменьшаться или

увеличиваться (рис. 1, кривые 1, 2). Уменьшение тока утечки (кривая 1) свидетельствует о том, что электропроводность материала была в большой степени обусловлена ионами посторонних примесей, которые нейтрализовались вблизи электродов. Это явление носит название электрической очистки образца. Увеличение тока со временем (кривая 2) свидетельствует об участии в нем зарядов, являющихся структурными элементами самого материала, и о протекающем в диэлектрике необратимом процессе электрического старения, которое постепенно может привести к разрушению диэлектрика его пробою.

Поскольку измерить поляризационные токи практически трудно, сопротивление изоляции Rиз обычно рассчитывают как частное

от деления напряжения на величину тока, измеренную через 1 мин после подачи на образец постоянного напряжения

Rиз = U= ,

Iскв

где U= – приложенное постоянное напряжение.

Если включить твердый диэлектрик в электрическую цепь (рис. 2), то сквозной ток будет протекать как по объему диэлектрика ( Iv ), так и по его поверхности ( Is ), в соответствии с чем можно

рассматривать объемную и поверхностную электропроводности. Объемная электропроводность определяется концентрацией примесей в самом диэлектрике, в то время как поверхностная будет зави-

5

сеть от чистоты поверхности диэлектрика и наличия на ней пыли, грязи и влаги.

Величина электропроводности (или обратная ей величина – сопротивление ( Rv , Rs ) является одним из важнейших показателей

качества электроизоляционных материалов. Для количественной оценки электропроводности различных материалов введены понятия удельного объемного сопротивления ρv и удельного поверхно-

стного сопротивления ρs .

Рис. 2. Твердый диэлектрик под напряжением (а) и его эквивалентная схема (б)

Удельное объемное сопротивление ρv равно отношению на-

пряженности постоянного электрического поля к плотности тока, проходящего через объем образца изоляционного материала, и измеряется в Ом м .

Для плоского образца любого размера удельное объемное сопротивление рассматривается следующим образом, Ом м

ρv =

E

=

U= S

= Rv

S

,

j

 

h I

v

h

 

v

 

 

 

 

 

 

где E = U =

напряженность поля, В/м; jv =

Iv

 

– объемная

S

h

 

A/м2 ; R

 

 

плотность тока,

– объемное сопротивление образца, Ом ;

 

 

v

 

 

 

 

S – площадь электродов,

м2 ; h – толщина образца, м .

 

6

 

 

 

 

 

 

Удельное поверхностное сопротивление ρs равно отношению

напряженности постоянного электрического поля к току на единицу длины поверхности образца материалаи выражается в Омах.

ρ

 

=

E

= U b = R b

,

 

js

 

s

 

a Is

s a

 

где Rs – поверхностное сопротивление образца материала (2) (рис. 3)

между параллельно расположеннымина его поверхностиэлектродами (1) длиной b , находящимися нарасстоянии a друготдруга.

1

+

-

b

2

a

Рис. 3. Размещение электродов на образце при изменении ρs

Численно удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению участка поверхности диэлектрика в виде квадрата любых размеров, если ток проходит через электроды, ограничивающие две противоположные стороны этого квадрата.

Полное сопротивление изоляции Rиз определяется как результирующее двух сопротивлений – поверхностного и объемного:

R

=

Rv Rs

.

 

из

 

Rv + Rs

 

 

Объемное и поверхностное сопротивления определяет измеряемый ток, протекающий через образец, при известной разности потенциалов между электродами.

7

Зависимость сопротивления диэлектриков от температуры

С повышением температуры удельное объемное сопротивление твердых и жидких диэлектриков заметно уменьшается согласно экспоненциальному закону:

b

ρ = B eT ,

где B и b – постоянные, характерные для данного материала; e – основание натурального логарифма; T – абсолютная температура.

Для технических расчетов чаще пользуются формулой, в которую вместо абсолютной температуры T введена температура по стоградусной шкале:

ρ = ρ0 e− α t ,

где ρ0 – удельное объемное сопротивление при температуре t = 0 °С,

α – температурный коэффициент удельного сопротивления, град–1; t – температура, °С.

Уменьшение сопротивления диэлектриков при их нагревании объясняется увеличением как числа свободных ионов в единице объема диэлектрика за счет теплового движения частиц, так и ростом их подвижности. Для твердых диэлектриков при этом основную роль играет первый процесс: увеличение числа носителей тока. При низких температурах даже плохие диэлектрики приобретают высокие значения ρv , так при –100 °С водяной лед становит-

ся неплохим диэлектриком.

Зависимость сопротивления диэлектриков от влажности

Все вещества в большей или меньшей степени гигроскопичны, т.е. обладают способностью поглощать влагу из воздуха, содержащего водяные пары. Наличие влаги резко уменьшает сопротивление диэлектриков, так как имеющиеся в воде примеси диссоциируют (распадаются) на ионы и присутствие воды, характеризую-

8

щейся большой величиной диэлектрической проницаемости, может способствовать диссоциации молекул самого вещества.

Особенно сильно влияет влага на гигроскопичные пористые волокнистые материалы, в которых она может образовывать сплошные пленки – «мостики», пронизывающие весь диэлектрик от одного электрода до другого.

Для защиты от действия влаги все гигроскопичные материалы после сушки пропитывают или покрывают негигроскопичными лаками, компаундами и т.д. Следует иметь в виду, что пропитка волокнистых материалов лишь замедляет поглощение влаги и изменение электрических свойств и для сохранения высоких изоляционных свойств необходима защита от увлажнения (герметизация).

Зависимость сопротивления диэлектриков от величины приложенного напряжения

С увеличением напряжения сопротивление диэлектриков в некотором диапазоне напряжений или практически не изменяется (для диэлектриков с высокими изоляционными свойствами) или уменьшается (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость ρv шифера от величины приложенного к образцу напряжения

Уменьшение сопротивления в относительно слабых полях связано с образованием объемных зарядов в диэлектрике, с перераспределением влаги в порах диэлектрика, с влиянием контактов с электродами, а в более сильных полях – с увеличением подвижности ионов с

9

ростом напряженности электрического поля, а также вырыванием электронов силами поля из частиц диэлектрика и электродов, что создает в диэлектрике дополнительную электропроводность электронного характера. Зависимость сопротивления диэлектриков от величины приложенного напряжения имеет существенное практическое значение, так как при измерении сопротивления при напряжении ниже рабочего можно получить завышенную величину сопротивления.

Зависимость поверхностного сопротивления диэлектриков от различных факторов

Поверхностное сопротивление тем выше, чем меньше полярность вещества, чище поверхность диэлектрика илучшеотполирована.

Как правило, диэлектрики нейтрального строения (парафин, полистирол, фторопласт-4 и др.) слабо абсорбируют влагу, в связи с чем их удельное поверхностное сопротивления практически не зависит от относительной влажности вплоть до весьма высоких ее значений. Если поверхность диэлектриковшероховата, то в связи с удержанием ею пыли, осевшей из воздуха, или других случайно попавших частиц, поверхностное сопротивление будет значительно снижено. Поэтому для увеличения поверхностного сопротивления твердых диэлектриков, особенно при работе на открытом воздухе, их поверхность обычно шлифуется, лакируется, покрывается глазурьюит.д.

В тех случаях, когда гигроскопичные и диссоциирующие на ионы вещества не являются составной частью самого диэлектрика, а обусловлены загрязнением его поверхности, величину поверхностного сопротивления можно повысить очисткой поверхности прокаливанием, кипячением в дистиллированной воде (для нерастворимых диэлектриков) и т.д.

2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления обычно определяют на одном и том же образце, снабженном тремя электродами. Форма и расположение этих электродов для случая плоского образца показаны на рис. 5.

10