ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3 ВИЗНАЧЕННЯ ОБ’ЄМНОГО ТА ПОВЕРХНЕВОГО ПИТОМИХ ОПОРІВ ТВЕРДИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ
Мета роботи: вивчити технічні засоби вимірювання об’ємного та поверхневого опорів твердих діелектриків.
3.1 Основні теоретичні відомості
Практично всі електроізоляційні матеріали (діелектрики) під дією електричної напруги пропускають деякий (зазвичай дуже малий) струм, тобто не є ідеальними через наявність деякої електропровідності. Електропровідність твердих діелектриків пояснюється наявністю в них вільних електричних зарядів, що породжується, в основному, переміщенням слабо закріплених іонів випадкових домішок та іонів самого діелектрика (особливо при високих температурах). У деяких діелектриків електропровідність може бути викликана і присутністю вільних електронів. У твердих діелектриках вільні заряди можливі не лише в їх об’ємах, а й у тонкому шарі вологи та різних забруднень на їхній поверхні. Тому в твердих діелектриках розрізняють об’ємну та поверхневу електропровідності.
Для порівняння різних діелектриків, з точки зору їх електропровідності, використовують питому об’ємну γv та питому поверхневу γs електропровідності або питомий об’ємний ρv та питомий поверхневий ρs опори, які обернені відносно відповідних питомих електропровідностей. З курсу фізики відомо, що питома електропровідність γ залежить від концентрації вільних зарядів n, їх рухливості u і величини заряду q:
Рухливість вільних електронів при їх наявності в діелектрику суттєво не відрізняється від рухливості електронів у металах (для міді u = 3,5 ×10-3м2 / В × с, n = 1028м3 ). Отже, невелику електропровідність діелектриків можна пояснити лише незначною концентрацією в них вільних зарядів.
Поверхнева провідність обумовлюється здатністю діелектрика адсорбувати на своїй поверхні вологу і пил, тому вона залежить від стану поверхні самого діелектрика та властивостей навколишнього середовища. Поверхня неполярних діелектриків змочується та забруднюється меншою мірою порівняно з полярними. На гладкій і рівній поверхні діелектрика адсорбується менше вологи і забруднюючих речовин, і тому питомий поверхневий опір ρs такого діелектрика значно більший, ніж питомий поверхневий опір того ж матеріалу з шершавою поверхнею.
При підвищенні температури діелектрика зростає рухливість його вільних зарядів (це стосується у першу чергу іонів) та їх концентрація завдяки тепловій дисоціації молекул. Це викликає ріст електропровідності та зменшення величини ρv. Електропровідність твердих діелектриків залежить також від величини діючої напруги.
При високій напрузі частково руйнуються полярні молекули або вириваються електрони з атомів, що призводить до збільшення концентрації вільних зарядів і зростання електропровідності діелектрика. Електропровідність твердих діелектриків збільшується в разі їх зволоження, якщо вони мають гігроскопічну структуру.
Питомий об’ємний опір полярних твердих діелектриків звичайно нижчий, ніж неполярних. Пояснюється це складністю очищення полярних діелектриків та легкістю руйнування їх молекул електричним полем.
За величинами питомого об’ємного ρv і питомого поверхневого ρs опорів діелектрики умовно розділяються на:
високоякісні – ρv=1013...1016 Ом·м, ρs=1014...1016 Ом;
якісні – ρv=109...1012 Ом·м, ρs=1010...1013 Ом; задовільні – ρv=106...108 Ом·м, ρs=108...109 Ом.
Поляризаційні процеси викликають у діелектриках протікання поляризаційних струмів. Ці струми називають струмами абсорбції (iаб). При постійній напрузі вони протікають в моменти включення і відключення джерела живлення, а при змінній напрузі – вони мають місце протягом усього часу знаходження діелектрика в електричному полі.
Наявність в технічних діелектриках невеликої кількості вільних зарядів приводить до виникнення слабких за величною наскрізних струмів (інк):
де іаб – струм абсорбцій (поляризації);
інк – наскрізний струм.
Як видно з (рис. 3.1), після завершення поляризації через діелектрик протікає тільки наскрізний струм.
де U – напруга;
і – струм, що спостерігається;
iнк – наскрізний струм;
∑in=іаб – сума струмів, обумовлених поляризацією.
Рисунок 3.1 – Залежність струму, що протікає через діелектрик, від часу
Електропровідність діелектрика характеризується питомою поверхневою (ρs) і питомою об’ємною (ρv) провідностями.
У системі Сі питомий об’ємний опір (ρv) дорівнює опору куба з ребром в 1 м, подумки вирізаного з досліджуваного матеріалу, якщо струм проходить крізь куб від однієї грані до протилежної.
Питомий об’ємний опір (Ом·м) визначається за формулою:
де R – об’ємний опір зразку (Ом);
S – площа електрода (м2);
h – товщина зразка (м).
Питома об’ємна провідність γ вимірюється в См·м-1.
Питомий поверхневий опір – опір квадрата будь-яких розмірів подумки виділеного на поверхні матеріалу, якщо струм проходить через квадрат від однієї його сторони до протилежної.
Питомий поверхневий опір:
де Rs – поверхневий опір зразка матеріалу (Ом);
d – ширина електродів;
l – відстань між електродами; ρs – розраховується в (Ом).
Добуток опору ізоляції діелектрика конденсатора і його ємності прийнято називати постійною часу t0 саморозряджання конденсатора:
де U – напруга на електродах конденсатора через час η після відключення його від джерела напруги;
Uo – напруга, до якої був заряджений конденсатор (η = 0);
Rд – опір ізоляції діелектрика (опір наскрізному струму);
С – ємність конденсатора.
Гази при невеликих значеннях напруженості електричного поля мають винятково малу провідність. Якщо іонізація нейтральних молекул газу виникає під дією зовнішніх факторів (рентгенівські промені, ультрафіолетові промені, космічні промені, радіоактивне випромінювання, термічні дії нагрівання газу), то така електропровідність газу називається несамостійною, а якщо за рахунок ударної іонізації – самостійною. Одночасно частина додатних іонів з’єднується з від’ємними частинками і утворюються нейтральні молекули. Такий процес називається рекомбінацією. Рекомбінація обмежує ріст кількості іонів в газі.
3.2 Послідовність виконання роботи
3.2.1 Вивчення інформації про електропровідність діелектриків. Користуючись рекомендованою літературою та методичними вказівками до даної лабораторної роботи, засвоїти інформацію про електропровідність твердих діелектриків. Звернути увагу на те, що електропровідність твердих діелектриків кількісно характеризують питомою об’ємною γv та поверхневою γs електропровідностями або, що найчастіше, питомим об’ємним ρv та поверхневим ρs опорами.
3.2.2 Вивчення тераомметра – прилада для вимірювання об’ємного та поверхневого опорів твердих діелектриків.
Користуючись рекомендованою літературою та методичними вказівками до даної лабораторної роботи, вивчити принцип дії тераомметра. Звернути особливу увагу на схеми вмикання електродів вимірювального прилада, які забезпечують розподіл струму діелектрика на його складові частини, і зменшити таким чином похибку вимірювання. Безпосередньо перед початком вимірювання необхідно ознайомитися з інструкцією та порядком роботи з тераомметром.
3.2.3 Вимірювання об’ємного опору зразків діелектриків. Вимірювання об’ємного опору зразків твердих діелектриків проводити такій послідовності:
- виміряти і записати у табл. 3.1 значення діаметра d вимірювального електрода В та внутрішнього діаметра D охоронного електрода О;
- виміряти і записати в табл. 3.1 значення товщини h зразків твердих діелектриків, які запропоновані викладачем для досліджень;
- зібрати схему згідно з рис. 3.2;
- виміряти об’ємний опір Rv зразків, користуючись першою чи другою шкалою приладу, і занести результати в табл. 3.1.
- зібрати схему згідно з рис. 3.3;
- вимірити поверхневий опір Rs зразків, користуючись першою чи другою шкалою приладу, і занести результати в табл. 3.1.
Рисунок 3.2 – Схема підключення електродів для вимірювання об’ємного опору твердого діелектрика
Таблиця 3.1 – Результати вимірів та розрахунків
3.2.4 Вимірювання поверхневого опору зразків діелектриків. Вимірювання поверхневих опорів зразків твердих діелектриків проводити у такій послідовності:
Вимірювання опорів діелектриків необхідно проводити при постійній напрузі, оскільки при змінній напрузі додатково виникає зарядно-розрядний струм, викликаний поляризацією. За цієї причини покази приладу знімають не раніше, ніж через 60 с після подання постійної напруги, оскільки для завершення поляризації необхідний деякий час. Для того, щоб можна було відокремлено зробити вимір об’ємного та поверхневого опорів, використовують три електроди, які називають вимірювальним електродом В, електродом напруги Н та охоронним електродом О.
Рисунок 3.3 – Схема підключення електродів для вимірювання поверхневого опору твердого діелектрика
У схемі вмикання електродів для вимірювання об’ємного опору твердого діелектрика (див. рис. 3.2) струм електропровідності діелектрика, який йде від клеми (+) джерела живлення через електрод напруги Н, розгалужується. Перша його частина iv , яка проходить через вимірювальний електрод В і реєструється вимірювальним приладом, залежить тільки від об’ємного опору R v зразка діелектрика в середній його частині, де електричне поле однорідне. Друга частина струму проходить через охоронний електрод О (кільце) на клему Е (екран) вимірювального приладу і тому не реєструються цим приладом. Друга частина струму витікання має дві складові – об’ємний струм i'v в крайніх областях зразка, де електричне поле неоднорідне, і поверхневий струм is . Завдяки такій схемі похибки незначні, оскільки друга частина струму ( is' + i'v ) відводиться від вимірювального електрода В. Якщо зняти охоронний електрод О зі зразка, то замість струму об’ємної електропровідності i y прилад почне вимірювати суму струмів об’ємної та поверхневої електропровідностей, тобто, покаже менше значення опору. Електрод О також забезпечує практично однорідне електричне поле в зразку між електродами В і Н.
У схемі вмикання електродів для вимірювання поверхневого опору твердого діелектрика (див. рис. 3.3) роль охоронного електрода О виконує нижній електрод – він відводить повз ланцюг вимірювання струмооб’ємної провідності iv та зовнішній поверхневий струм is' . Поверхневий струм is , що протікає кільцевим проміжком між електродами В та Н (кільце), вимірюється приладом і визначає розмір поверхневого опору Rs .
Для прямого вимірювання опорів діелектрика використовують електронні мегомметри, тераомметри та мости постійного струму. Тераомметр Е6-13А, який є в лабораторії, призначений для вимірювання опору постійному струму в діапазоні від 10 до 1014 Ом. Основний елемент приладу – підсилювач постійного струму П з великим коефіцієнтом підсилення, в пряме чи зворотне коло якого вмикається вимірювальний елемент з електричним опором R x .
При вимірюванні опорів в діапазоні 10...106 Ом застосовується схема, в якій джерело стабільної напруги ДСН та зразковий опір R0 утворюють штучний генератор струму, а вимірюваний опір Rx вмикається в коло зворотного зв’язку (рисунок 3.4).
Рисунок 3.4 – Схема для вимірювання опорів в діапазоні 10...106 Ом
Вихідна напруга Uвих, виходячи з рівності струмів у точці К схеми,
Прилад у цьому випадку має пряму лінійну шкалу, тобто вихідна наруга прямо пропорційна вимірюваному опору.
При вимірюванні опорів у діапазоні 106...10 14 Ом використовується схема рис. 3.5, джерело стабільної напруги ДСН і вимірювальний опір Rх, що вмикається вже в пряме коло підсилювача П, утворюють штучне джерело струму.
Рисунок 3.5 – Схема для вимірювання опорів у діапазоні (106–1014) Ом
Зразковий опір R0 в цьому випадку ввімкнений у коло зворотного зв’язку. Вихідна напруга Uвих, виходячи з рівності струмів у точці К схеми, визначається також із співвідношення:
Шкала приладу в цьому випадку є зворотно пропорційною. У приладі використано декілька опорів R0, які змінюють діапазон вимірювання.
До комплекту приладу входить вимірювальна камера, що служить екраном. При вимірюванні досліджуваний зразок розміщують усередині камери, а саму камеру з’єднують з клемою “земля” приладу.
3.3 Обробка експериментальних даних
Обробку експериментальних даних слід проводити у такій послідовності:
3.3.1. Розрахувати питомі об’ємні опори rv зразків діелектриків за формулою (3.3) та результати розрахунків занести у таблицю 3.1. Питомий об’ємний опір діелектрика rv (Ом·м) визначається за формулою:
де Rv – об’ємний опір (результат вимірювання, табл. 3.1);
– площа контактної поверхні вимірювального електрода В;
d – діаметр вимірювального електрода (результат вимірювання, таблиця 3.1);
h – товщина зразка діелектрика (результат вимірювання, таблиця 3.1).
3.3.2. Розрахувати питомі поверхневі опори rs зразків діелектриків за формулою (3.4) та результати розрахунків занести в таблицю 3.1. Питомий поверхневий опір діелектрика rs (Ом) визначається за формулою:
де Rs – поверхневий опір (результат вимірювання, таблиця 3.1);
– ефективний периметр вимірювального електрода В, з якого витікають поверхневі вільні заряди;
D – внутрішній діаметр електрода напруги Н за схемою рисунка 3.2 (результат вимірювання, таблиця 3.1);
– відстань між вимірювальним електродом В і електродом напруги Н, яку долають поверхневі вільні заряди.
3.3.3. Визначити концентрацію вільних зарядів у зразках діелектриків та результати розрахунків занести в таблицю 3.1. Концентрацію вільних зарядів у зразках діелектриків можна визначити, виходячи з формули (3.12):
де pv – питомий об’ємний опір (результат розрахунків, табл. 3.1);
q = 1,602·10-19 Кл – заряд іона чи електрона;
u – середня рухливість зарядів (оскільки в діелектриках вільні заряди – це, в основному, іони, то в розрахунках можна прийняти u = 10-9 м2/В с).
3.3.4 Порівняти концентрації вільних зарядів у діелектриках і металах та зробити висновок щодо різниці їх питомих опорів;
3.3.5 На підставі одержаних значень rv і rs зробити висновок про якість досліджених діелектриків.
3.4 Зміст звіту
3.4.1 Назва і мета роботи, порядок виконання роботи.
3.4.2 Схеми рисунків 3.1 і 3.2.
3.4.3 Заповнена таблиця 3.1.
3.4.4 Розрахунок величин rv, rs, n.
3.4.5 Висновки за результатами виконання роботи.
3.4.6 Список використаної літератури.
3.5 Контрольні запитання та завдання
3.5.1 Чому діелектрики мають ненульову електропровідність?
3.5.2 Які види електропровідності можливі в твердих діелектриках?
3.5.3 Якими параметрами характеризують діелектрики з точки зору їх електропровідності?
3.5.4 Від яких чинників залежить величина питомого об’ємного опору діелектриків?
3.5.5 Які чинники впливають на величину питомого поверхневого опору?
3.5.6 Чим пояснити різницю в значеннях rv полярних і неполярних діелектриків?
3.5.7 За якої напруги (постійної чи змінної) необхідно вимірювати опір діелектриків і чому?
3.5.8 Чому при вимірюванні опорів діелектриків необхідна система з трьох електродів?
3.5.9 Нарисуйте схему вмикання електродів для визначення питомого об’ємного опору та поясніть призначення кожного її елемента.
3.5.10 Нарисуйте схему вмикання електродів для визначення питомого поверхневого опору та поясніть призначення кожного з її елементів.
3.5.11 Поясніть, як змінюються покази приладу при вимірюванні опору діелектрика, якщо вимкнути охоронний електрод.
3.5.12 Чому покази приладу при вимірюванні опору діелектриків треба фіксувати через деякий інтервал часу після подання напруги на електроди?
3.5.13 Поясніть принцип дії тераомметра.
