5.4 Опрацювання результатів вимірювань

1. Розрахувати електричну міцність досліджуваних діелектриків згідно формули:

, (5.2)

де Е_пр – електрична міцність діелектрика, кВ/мм;

U_пр – пробивна напруга, кВ;

l – відстань між електродами (товщина діелектрика), мм.

2. Побудувати графіки залежностей E_пр(l) для досліджуваних діелектриків.

3. Обчислити середні значення, середньоквадратичні відхилення, абсолютні та відносні похибки вимірювання Е_пр.

4. Результати обчислень записати в таблицю 5.6.

Таблиця 5.6 – Результати розрахунку статистичних характеристик досліджуваних величин

№ з/п	Діелектрик	Епр, кВ/мм	(Епр), кВ/мм	(Епр), кВ/мм	Епр, %

5. Порівняти ізоляційні властивості досліджених матеріалів, переваги й недоліки цих матеріалів, пов'язані з областю їх застосування.

6. Зробити висновки з проведеної роботи.

5.5 Контрольні запитання

1. Дайте пояснення фізичним основам явища пробою твердих, рідких та газоподібних діелектриків.

2. Яка методика визначення електричної міцності діелектриків?

3. Поясніть вплив форми електродів на електричну міцність діелектриків.

4. Поясніть принцип дії обладнання, що застосовується в роботі.

5. Наведіть області застосування досліджуваних матеріалів.

6. Поясніть залежність електричної міцності кабельного паперу від числа його шарів.

7. Як і чому геометричні розміри впливають на пробивну напругу електроізоляційних конструкцій?

8. Як і чому наявність газових включень впливає на величину електричної міцності неоднорідних твердих діелектриків?

9. Як впливають домішки на електричну міцність рідких діелек­триків?

10. Як підвищують електричну міцність трансформаторної оливи?

11. Які основні причини сприяють зниженню електричної міцності трансформаторної оливи?

12. Чим пояснити більш високу електричну міцність рідин порівняно з електричною міцністю газів?

13. Як впливає наявність вологи й волокон на електричну міцність рідких діелектриків?

14. Від яких факторів залежить значення пробивної напруги при тепловому пробої?

15. Який механізм пробою газоподібних діелектриків?

16. Які фактори впливають на електричну міцність газоподібних діелектриків?

Лабораторна робота № 6 дослідження електричних властивостей провідникових матеріалів

Мета роботи

Вивчити основні електричні властивості провідникових матеріалів та методику їх дослідження. Експериментально визначити електричні характеристики деяких провідникових матеріалів.

6.1 Основні теоретичні відомості

До провідників електричного струму відносяться речовини, які містять в значній кількості вільні заряджені частинки. Якщо в провіднику створити електричне поле напруженістю , то на кожну заряджену частинку буде діяти сила , де q – заряд частинки. Під дією цих сил виникає впорядкований рух вільних заряджених частинок – електричний струм провідності. Густина струму в будь-якій точці провідника визначається законом Ома в диференціальній формі

, (6.1)

де – питома електрична провідність, См/м;

– питомий електричний опір речовини, Омм.

Якщо відомий опір R провідника незмінного поперечного перерізу S довжиною l, то його питомий опір визначається за формулою

. (6.2)

Найбільш широке використання в якості провідників електричного струму знайшли метали та їх сплави. Електричний струм в металах являє собою напрямлений рух вільних електронів. Тому метали називають провідниками з електронною електропровідністю або провідниками першого роду. Діапазон значень питомого опору різних металевих провідників при нормальній температурі охоплює приблизно три порядки: від 0,016 мкОмм для срібла до 10 мкОмм для залізохромалюмінієвих сплавів.

Згідно класичної електронної теорії металів, питомий електричний опір:

, (6.3)

де m, е – маса та абсолютне значення заряду електрона;

– середня швидкість теплового руху електронів;

n₀ – кількість вільних електронів в одиниці об'єму провідника; – середня довжина вільного пробігу електронів.

Швидкість теплового руху електронів для різних металів приблизно однакова і мало залежить від температури, оскільки елек­тронний газ в металах при нормальних температурах знаходиться в стані виродження. В цьому стані енергія електронного газу майже не залежить від температури. Концентрація вільних електронів n₀ в різних металах відрізняється несуттєво і практично не залежить від температури. Тому, як значення питомого опору чистого металу, так і його температурна залежність визначається, в основному, середньою довжиною вільного пробігу електронів , яка, в свою чергу, залежить від структури металу та його температури.

Всі чисті метали з найбільш правильною кристалічною ґраткою характеризуються найменшими значеннями питомого опору. Будь-які спотворення кристалічної ґратки, зумовлені наявністю домішок, дефектів або пластичною деформацією матеріалу, призводять до зменшення та, відповідно, збільшення . Сплави, як правило, мають більш високе значення порівняно з чистими металами, що входять до їх складу. Це зумовлено тим, що концентрація вільних електронів і довжина вільного пробігу в них є меншими.

З підвищенням температури Т зростає інтенсивність теплових коливань іонів у вузлах кристалічної ґратки, що призводить до зменшення довжини вільного пробігу електронів та збільшення питомого опору. Зміну питомого опору при підвищенні температури характеризують температурним коефіцієнтом питомого опору

. (6.4)

Для більшості чистих металів у твердому стані значення знаходиться в межах (36)10^-3 К^-1, а для сплавів може бути значно меншим, в деяких випадках навіть від'ємним.

Залежність від температури в більшості випадків є нелінійною. Однак при зміні температури в вузькому інтервалі цю залежність можна вважати лінійною і користуватися співвідношенням:

, (6.5)

де і – питомі опори відповідно при температурі Т₁ та Т₂; – середній температурний коефіцієнт питомого опору в діапазоні температур T₂T₁, який визначається за формулою

. (6.6)

Залежність опору резисторів від температури характеризують температурним коефіцієнтом опору, що визначається за аналогічною формулою

. (6.7)

Внаслідок теплового розширення _R_, хоч для чистих металів _R _.

В залежності від значення питомого опору металеві провідникові матеріали поділяють на матеріали високої провідності з при нормальній температурі не більшим 0,1 мкОмм та матеріали високого опору з при нормальній температурі не меншим 0,3 мкОмм. Матеріали високої провідності використовують для виготовлення проводів, струмопровідних жил кабелів, обмоток електричних машин, апаратів, трансформаторів тощо. Найбільш розповсюдженими матеріалами цієї групи є мідь і алюміній, основні властивості яких наведені в таблиці 6.1. В окремих випадках застосовують сплави на основі цих металів (бронзи, латуні тощо), а також залізо.

Таблиця 6.1 – Основні властивості міді, алюмінію, заліза

Метал	при 20 0С, мкОмм	, K-1 (0- 150 0С)	Температура плавлення, 0С	Густина при 20 0С, Мг/м3	ТК лінійного розширення l, К-1
Мідь	0,017	4310-4	1083	8,9	1610-6
Алюміній	0,028	4010-4	657	2,7	2410-6
Залізо	0,098	6010-4	1535	7,87	1110-6

Матеріали високого опору використовують для виготовлення резисторів, реостатів, резисторів зразкового опору, електронагрівальних елементів і т.п. До матеріалів цієї групи відносяться сплави різних металів, найбільш поширеними з яких є манганін, константан, ніхром.

Манганін – мідно-марганцевий сплав, в склад якого входить біля 85 % міді, 12 % марганцю, 3 % нікелю. Його питомий опір 0,420,48 мкОмм, а максимальна тривало допустима робоча температура – 200 ⁰С. Манганін характеризується низьким значенням коефіцієнта термо-ЕРС в парі з міддю. Його можна витягувати в тонкий провід (до діаметра 0,02 мм). Манганін є основним матеріалом для виготовлення зразкових резисторів, шунтів та додаткових резисторів вимірювальних приладів.

Константан – сплав, що містить біля 60 % міді та 40 % нікелю. Його питомий опір мкОмм практично не залежить від температури. Константан використовується для виготовлення реостатів, дротяних резисторів, нагрівальних елементів з робочою температурою до 500 ⁰С. В парі з міддю він розвиває високу термо-ЕРС, що обмежує використання константанових резисторів у точних вимірювальних схемах.

Ніхроми – сплави системи Fe-Ni-Cr, які характеризуються високою стійкістю до окислення в повітрі при високих температурах внаслідок утворення на поверхні захисного шару стійких оксидів СrO та NiO. Застосовуються для виготовлення нагрівальних елементів електричних печей, плит, паяльників тощо.

Якщо спаї двох різних металів мають різну температуру Т₁ та Т₂, то в замкненому електричному колі виникає термоелектрорушійна сила

, (6.8)

де с – коефіцієнт термо-ЕРС даної пари металів. Для більшості пар металів c має порядок 10^-4 – 10^-5 [В/К].

Для виготовлення обмоток вимірювальних приладів, зразкових резисторів використовують провідникові матеріали з найменшим коефіцієнтом термо-ЕРС відносно міді, щоб уникнути виникнення в вимірювальних схемах значних паразитних термо-ЕРС.