Файл: Лабораторная работа по дисциплине Электроматериаловедение на тему Исследование электропроводности диэлектриков.docx

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Псковский государственный университет»
Передовая инженерная школа гибридных технологий в станкостроении Союзного государства в Псковском государственном университете
Лабораторная работа

по дисциплине: «Электроматериаловедение»

на тему «Исследование электропроводности диэлектриков»

	Выполнили студенты группы 1431-08С Мулев М.И. Костиков Д.Е. Леднев М.Н.
	Проверил ассистент отделения электроэнергетики, приводов и систем автоматизации Абдулаева Г. Н.

Псков

2023

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы – изучение основных закономерностей прохождения тока через диэлектрик и ознакомление с методами определения его удельного объёмного и удельного поверхностного сопротивлений.

1.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Под действием постоянного напряжения через технический диэлектрик протекает ток утечки

I_ут = I_ск + I_аб , (1)
где I_ск и I_аб– соответственно сквозной и абсорбционный токи, А.

Абсорбционные токи возникают в диэлектриках в результате поляризационных процессов смещения связанных зарядов. По окончании поляризации абсорбционный ток спадает до нуля, а ток утечки становится равным сквозному току (рисунок 1).

Сквозной ток возникает в диэлектриках за счёт наличия небольшого числа свободных ионов, электронов или коллоидных частиц.

Для твёрдых диэлектриков как абсорбционный, так и сквозной токи имеют две составляющие. Так, например, для сквозного тока

I_ск = I_v + I_s , (2)

где I_v

---

и I_s – соответственно объёмный и поверхностный токи, А.



Рисунок 1 – Зависимость тока утечки через диэлектрик от времени
Если объёмный ток обусловлен наличием свободных зарядов в объёме диэлектрика, то поверхностный ток - наличием во до-растворимых загрязнений и плёнки влаги на поверхности диэлектрика (рисунок 2).

Плотность объёмного тока в однородном и изотропном диэлектрике определяется из выражения

j_v = _v E = , (3)

где _V – удельная объёмная проводимость диэлектрика, См/м;

_v – удельное объёмное сопротивление диэлектрика, Ом.м;

Е – напряжённость электрического поля, В/м.

Объёмное и поверхностное сопротивления диэлектриков, как правило, весьма высоки, поэтому для их определения используются чувствительные гальванометры, электрометры и тераомметры, позволяющие измерять токи до 10^-17...10^-15 А. На практике для раздельного измерения объёмного I_v и поверхностного I_s токов применяется, в соответствии с ГОСТ 6433.2-80, трёхэлектродная система (рисунок 3а).

В случае плоского образца на обе его стороны наносятся напылённые или прижимные электроды. С одной стороны расположены кольцевой 2 и измерительный 1 электроды, с другой - дисковый электрод 3 (рисунок 3а).

При измерении объёмного сопротивления потенциал измерительного электрода 1 оказывается чуть выше потенциала кольцевого электрода 2, поэтому поверхностный ток I_s полностью отводится на кольцевой электрод. На измерительный электрод, таким образом, попадает только объёмный ток I_v.

Удельное объёмное сопротивление диэлектрика

_v = , (4)

где R_v – объёмное сопротивление, Ом;

S – площадь измерительного электрода, м²;

t – толщина образца диэлектрика, м;

U – измерительное напряжение, В;

I_v – объёмный ток, А.



Рисунок 2 – Протекание объёмного

---

I_v и поверхностного I_s токов через диэлектрик



Рисунок 3 – Электродные системы а) – трёхэлектродная система для измерения объёмного и поверхностного сопротивлений; б) – двухэлектродная система для измерения поверхностного сопротивления.
При измерении поверхностного сопротивления также применяется система из двух электродов, нанесённых на одну сторону плоского образца (рисунок 3б). Электроды имеют форму двух параллельных полос, расположенных на расстоянии b.

Удельное поверхностное сопротивление
_v = , (5)

где U – измерительное напряжение, В;

I_s – поверхностный ток, А;

l – длина электрода, м;

b – расстояние между электродами, м.

Если допустить, что приложенные к диэлектрику электроды обладают достаточно малым сопротивлением и диэлектрик является однородным, то без учёта поверхностной проводимости для тела любой формы и размеров можно ввести понятие приведённой длины Λ.

Приведённая длина диэлектрика Λ имеет размерность длины и однозначно определяет соотношение параметров тела (электрической проводимости G, См, электрического сопротивления, R, Ом, и электрической ёмкости С, Ф) между электродами и характеристик материала.

Так, электрическая проводимость тела равна

G =   , (6)

электрическое сопротивление

R = , (7)

емкость

C = ₀·_r· . (8)

Для тела длиной h, м, и сечением S, м², произвольной конфигурации, но постоянным по всей длине тела (например, проволока или жила кабеля, диэлектрик плоского конденсатора), электрическое сопротивление

R = , (9)

следовательно, приведённая длина этого тела определятся по выражению

 = . (10)

Весьма важен случай, когда тело имеет форму трубы, на внешнюю и внутреннюю стороны которой нанесены электроды (например, диэлектрик цилиндрического конденсатора, изоляция одножильного коаксиального кабеля). Обозначив осевую длину электрода через

---

l, а внутренний и внешний радиусы трубы соответственно через r₁ и r₂, можем найти сопротивление между электродами, рассмотрев его как результирующее сопротивление последовательно соединенных сопротивлений dR бесконечно тонких слоёв, имеющих толщину dx и радиус х. Сопротивление такого слоя составляет:

dR = · . (11)

Интегрируя в пределах от х = r₁ до х = r₂, получаем сопротивление

R = ln . (12)

Следовательно, в этом случае приведенная длина

 = . (13)

2.ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка предназначена для измерения удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений твёрдых диэлектриков. Установка включает в себя термостат 3, тераомметр и измерительную ячейку 1 с образцом твёрдого диэлектрика 2 (рисунок 4).

Тераомметр Е6-13А предназначен для измерения объёмного и поверхностного сопротивлений в пределах от 10² до 10¹³ Ом. Измерительное напряжение 100 В. Образец твёрдого диэлектрика 2 помещается в измерительную ячейку 1, имеющую трёхэлектродную систему.


Рисунок 4 – Блок-схема лабораторной установки



Рисунок 5 – Схема присоединения электродов к тераомметру а) при измерении R_v; б) при измерении R_s.

3.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Поместить заданный образец твёрдого диэлектрика в измерительную ячейку. Измерительную ячейку подключить проводниками к тераомметру в соответствии со схемой на рисунке 5.

3.2. Включить тераомметр и установить такой предел измерения, на котором можно измерить сопротивление (желательно использовать правую часть шкалы) при температуре окружающей среды.

3.3. В процессе поляризации сопротивление диэлектрика может значительно возрасти. Поэтому измерение сопротивления производится через 1 минуту после подачи напряжения на образец.

3.4. Увеличивая температуру, произвести измерения объёмных и поверхностных сопротивлений образца. Результаты измерений

---

R_v и R_s записать в таблицы.

3.5. Поместить второй образец материала в измерительную ячейку и повторить измерения согласно пункту 3.4. 

Таблица 1 – Результаты измерений объемного и поверхностного сопротивлений текстолита.

Текстолит, b=2,3 мм
Измерено				Вычислено
t, °C	RV, Ом	RS, Ом	ρV, Ом ·м		ρS, Ом ·м
10	4*108	9*108	9,95*1010		3,81*1010
20	8*107	1,9*108	19,90*109		8,05*109
30	1,8*107	1*107	4,48*109		1,78*109
40	4,4*106	2,8*107	10,94*108		4,23*108
50	1,15*106	8*106	28,61*107		11,86*107
60	3,3*105	5*105	8,21*107		3,39*107
70	5,6*105	2,4*105	2,48*107		1,02*107
80	3,4*104	8*104	8,46*106		3,39*106
90	1,2*104	2,8*104	29,25*105		11,87*105
100	4,5*103	1,1*104	11,19*105		4,66*105

Таблица 2 – Результаты измерений объемного и поверхностного сопротивлений резины.

Резина, b=1,9 мм
Измерено			Вычислено
t, °C	RV, Ом	RS, Ом	ρV, Ом ·м	ρS, Ом ·м
10	3,4*1013	5,4*1011	10,24*1015	2,29*1013
20	1,3*1013	2,1*1011	39,15*1014	8,9*1012
30	6*1012	8*1010	18,07*1014	3,39*1012
40	2,2*1012	3,5*1010	66,26*1013	14,84*1011
50	1*1012	1,55*1010	30,11*1013	6,57*1011
60	4,6*1011	7,5*109	13,85*1012	3,18*1011
70	2,3*1011	3,5*109	69,27*1012	1,48*1011
80	1,15*1011	1,8*109	34,63*1012	7,63*1010
90	6,05*1010	8,5*108	18,22*1012	3,6*1010
100	3,4*1010	5,2*108	10,24*1012	2,2*1010

---