Лабник

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

__________

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

СБОРНИК ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Методическое пособие по курсу

«Электротехническое материаловедение» для студентов, обучающихся по направлениям «Электроэнергетика и электротехника»

и «Электроника и наноэлектроника»

3

УДК 621.3 Э 455

Утверждено учебным управлением МЭИ Подготовлено на кафедре физики электротехнических материалов и компонентов и автоматизации электротехнологических комплексов

Авторы: В.Н. Бородулин, М.К. Дамбис, Ю.В. Зайцев, В.М. Леонов, А.Ю. Мирошниченко, С.В. Серебрянников, А.А. Сутченков, Д.С. Холодный, В.П. Чепарин

Электротехническое материаловедение: Сборник лабора- Э 455 торных работ: методическое пособие / В.Н. Бородулин, М.К. Дамбис, Ю.В. Зайцев и др. — М.: Издательский дом МЭИ,

2012. — 64 с.

Приведены описания лабораторных работ по исследованию свойств и определению характеристик диэлектрических, полупроводниковых, проводниковых и магнитных материалов. Рассмотрены основные процессы воздействия электромагнитных полей на материалы, применяемые в электротехнике, электронике и энергетике, температурные и частотные зависимости основных параметров электротехнических материалов. Даны методические рекомендации по использованию оборудования, применяемого при выполнении лабораторных работ и обработке результатов экспериментов.

Пособие предназначено для студентов, изучающих дисциплины «Радиоматериалы и радиокомпоненты», «Материалы и элементы электронной техники», «Электротехническое и конструкционное материаловедение».

____________

Учебное издание

Бородулин Владимир Николаевич, Дамбис Мария Карловна, Зайцев Юрий Владимирович и др.

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Сборник лабораторных работ Методическое пособие

по курсу «Электротехническое материаловедение»

ЗАО «Издательский дом МЭИ», 111250, Москва, Красноказарменная, д. 14

Национальный исследовательский университет «МЭИ», 2012

4

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

Сборник содержит описания работ, выполняемых при изучении курсов по электротехническому материаловедению студентами, обучающимися по электротехническому, радиоэлектронному, электроэнергетическому, электромеханическому направлениям.

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 о 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. 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 А.С. Воробьева, В.А. Филикова и других сотрудников кафедры ФЭМАЭК.

Авторы выражают благодарность рецензенту сборника А.П. Черкасову.

6

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы — освоение методики измерений на постоянном то-

ке удельного объемного ρv и удельного поверхностного ρs сопротивлений твердых диэлектриков. Определение температурных зависимо-

стей ρv и ρs 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 объем-

ного сопротивления Rv. Поверхностный ток утечки проходит через поверхностные слои изоляции и обусловлен величиной поверхност-

ного сопротивления изоляции Rs. Понятие поверхностного сопротивления вводят применительно к твердой изоляции, так как в результате

7

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 ρv и удельное поверхностное сопротивление ρs, которые являются величинами, обратными удельной объемной проводимости γv и удельной поверхностной проводимости γs.

При повышении температуры удельное сопротивление электроизоляционных материалов уменьшается. 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

v0 — удельное объемное сопротивление при температуре 0 С; 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).

8

а)

б)

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

При измерении объемного сопротивления образца (рис. 1, а) высо-

кое 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

D0 D1 D2 .

2

Удельное объемное сопротивление ρv (Ом м) связано с сопротив-

лением Rv, геометрическими размерами электродов D1, D2 (м) и толщиной образца h (м) и рассчитывается по формуле

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 (рис. 1, б) напря-

жение 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), равной

l D2 D1 ,

2

и «сечением» Sп

Sп (D12 D2 ) .

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

Лабораторный стенд состоит из термостата, с помощью которого осуществляется изменение, измерение и поддержание температуры исследуемого образца, и измерительного прибора — тераомметра (специальный прибор для измерения больших сопротивлений), изме-

ряющего поверхностное Rs и объемное Rv сопротивления образцов. На рис. 2 приведена измерительная установка, включающая в себя термостат, в котором размещается испытуемый образец и тераомметр Е3-16А.

Рис. 2. Лабораторный стенд

10

Рис. 3. Органы управления и индикации термостата

Переключение схемы измерения поверхностного и объемного со-

противлений осуществляется с помощью тумблера «Rs /Rv», находящегося на лицевой панели термостата (рис. 3).

Постоянное напряжение на образец подается с тераомметра. Источник питания тераомметра обеспечивает два напряжения, при которых проводятся измерения: 10 и 100 В.

По результатам измерения Rs и Rv с учетом геометрических размеров электродов рассчитываются удельное поверхностное ρs и удель-

ное объемное ρv 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 подачи напряжения. 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 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.

11

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».

Рабочее задание

1.Снять зависимость удельного объемного сопротивления от температуры для материала, который установлен в термокамере. Узнать у преподавателя геометрические размеры образца. Диапазон температуры: от комнатной до 100 С с шагом 10 С. Для расчета удельных объемных сопротивлений воспользоваться соотношением (2). По найден-

ным значениям построить линеаризованную зависимость lg[ρv(T)], рассчитать значения v0 при 0 C и vt , которые входят в уравнение (1). Измерения проводить для двух значений напряжений — при 10 и 100 В.

2.Снять зависимость удельного поверхностного сопротивления от температуры для материала, который установлен в термокамере. Узнать у преподавателя название материала и геометрические размеры

образца. Диапазон температуры: от комнатной до 100 С с шагом 10 С. Для расчета удельных поверхностных сопротивлений воспользоваться соотношением (3). По найденным значениям построить линеаризованную зависимость lg[ρs(T)] и обычную зависимость. Измерения проводить для двух напряжений — при 10 и 100 В.

3. Сделать письменные выводы по проделанной работе с объяснением полученных зависимостей. Подготовить отчет по проделанной работе в соответствии с установленными требованиями.

Порядок проведения работы

Работа на установке требует строгого соблюдения правил электробезопасности. Перед началом работы следует ознакомиться с устройством лабораторного стенда, рабочим заданием, приведенным в работе, указаниями по выполнению работы. Приступать к работе можно по разрешению преподавателя.

12