1.5. Содержание отчета

В отчет по лабораторной работе «Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери в твердых диэлектриках» входят следующие пункты:

1. Цель работы.

2. Краткую характеристику изучаемых величин.

3. Описание исследуемого диэлектрика.

4. Блок-схему измерений.

5. Сводную таблицу с результатами измерений и расчетов.

6. Графики температурных зависимостей диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

7. Вывод по результатам лабораторной работы.

1.6. Контрольные вопросы

1) Какие электрические параметры диэлектрика определяют частотный диапазон его применения, применяемые при переменном токе низкой частоты?

2) Как с физической точки зрения объяснить потери электрической энергии в диэлектрике?

3) Какие факторы влияют на значения tg  и  диэлектриков?

Лабораторная работа 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы: изучение влияния температуры на величину удельных электрических сопротивлений твердых диэлектриков, освоение методики их измерения.

2.1. Краткие сведения из теории

2.1.1. Электропроводность диэлектриков

Поляризационные процессы смещения зарядов в веществе до момента установления равновесного состояния протекают во времени, создавая в диэлектриках поляризационные токи, или токи смещения. Токи смещения упруго связанных зарядов при электронной и ионной поляризациях столь кратковременны, что их обычно не удается зафиксировать прибором. Токи смещения различных видов замедленной поляризации, наблюдаемые у большого числа технических диэлектриков, называют абсорбционными токами. При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, протекают только в моменты включения и выключения напряжения; при переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.

Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов приводит к возникновению слабых по величине сквозных токов или токов утечки. Таким образом, полная плотность тока в диэлектрике представляет собой сумму плотностей токов утечки и смещений:

I=I_ск+I_аб , (2.1)

где I_ск – сквозной ток;

I_аб – ток абсорбции.

Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора индукции D, обусловленного мгновенными и замедленными смещениями зарядов:

, (2.2)

где = производная индукции по времени.

На рис. 2.1 показан характер зависимости тока через диэлектрик от времени. Как видно из рисунка после завершения процессов поляризации через диэлектрик протекает только сквозной ток.

Рис. 2.1 – Зависимость тока через диэлектрик от времени

Поляризационные токи необходимо принимать во внимание при измерении проводимости диэлектриков ввиду того, что при небольшой выдержке образца диэлектрика под напряжением обычно регистрируется не только сквозной ток, но и сопровождающий его ток абсорбции, вследствие чего может создаваться неправильное представление о большой проводимости. Проводимость диэлектрика при постоянном напряжении определяется по сквозному току, сопровождающемуся выделением и нейтрализацией зарядов на электродах. При переменном напряжении активная проводимость определяется не только сквозным током, но и активными составляющими поляризационных токов.

Особенностью электропроводности диэлектриков в большинстве случаев является ее неэлектронный (ионный) характер.

Истинное сопротивление диэлектрика R_из, определяющее величину сквозного тока, может быть вычислено по следующей формуле:

, (2.3)

где i – наблюдаемый ток;

U – приложенное напряжение;

– сумма токов, вызванных замедленными видами поляризации;

i_ск – сквозной ток.

Поскольку определение поляризационных токов даже замедленных видов поляризации представляет некоторые трудности, сопротивление диэлектрика рассчитывают обычно как частное от деления напряжения на ток, измеренный через одну минуту после включения напряжения и принимаемый за сквоз- ной ток.

Для твердых электроизоляционных материалов необходимо различать объемную и поверхностную электропроводность.

Для сравнительной оценки различных материалов в отношении их объемной и поверхностной электропроводности пользуются значениями удельного объемного сопротивления  и удельного поверхностного сопротивления _s.

По удельному объемному сопротивлению может быть определена удельная объемная проводимость, по удельному поверхностному сопротивлению – удельная поверхностная проводимость.

В системе СИ удельное объемное сопротивление  равно сопротивлению куба с ребром в 1 м, если ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной.

В случае плоского образца материала при однородном поле удельное объемное сопротивление (Ом∙м) рассчитывается по формуле:

, (2.4)

где R – объемное сопротивление образца;

S – площадь электрода;

h – толщина образца.

Удельная объемная проводимость  измеряется в См∙м^-1.

Удельное поверхностное сопротивление равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через квадрат, от одной его грани к противоположной.

Удельное поверхностное сопротивление рассчитывается по формуле:

, (2.5)

где R_s – поверхностное сопротивление образца материала;

d – ширина электродов;

l – расстояние между электродами.

Удельная поверхностная проводимость _s измеряется в См.

Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению R_из, складывается из объемной и поверхностной проводимостей.

Электропроводность изоляционных материалов обусловливается состоянием вещества: газообразным, жидким или твердым, а также зависит от влажности и температуры окружающей среды. Некоторое влияние на проводимость диэлектриков оказывает также напряженность поля в образце, при которой проводится измерение.

При длительной работе под напряжением ток через твердые и жидкие диэлектрики с течением времени может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение тока со временем говорит о том, что электропроводность материала была обусловлена ионами посторонних примесей и уменьшалась за счет электрической очистки образца. Увеличение тока со временем говорит об участии в нем зарядов, являющихся структурными элементами самого материала, и о протекающем в нем необратимом процессе старения под напряжением, способном постепенно привести к разрушению – пробою диэлектрика.

Произведение сопротивления изоляции диэлектрика конденсатора и его емкости принято называть постоянной времени саморазряда конденсатора:

₀=R_из C, (2.6)

где С – емкость конденсатора.

Таким образом, определяя постоянную времени как время, по истечении которого напряжение на клеммах конденсатора уменьшится вследствие саморазряда в e раз, зная вид материала (а следовательно и его диэлектрическую проницаемость) и предполагая наличие только объемной утечки, можно оценить удельное объемное сопротивление диэлектрика.