Тольяттинский государственный университет Кафедра "Промышленная электроника" Отчет о лабораторной работе №1 Определение удельных электрических сопротивлений твердых диэлектриков По дисциплине "Электротехнические материалы" Руководитель: Чуркин И.М. Исполнитель: студент Носков Г. С. Группа: ЭЭТб-1303 Тольятти 2014 1. Цель работы Изучить методику определения удельного поверхностного ρs и удельного объемного ρv электрических сопротивлений при постоянном напряжении, исследовать и обосновать их зависимость от приложенного напряжения, температуры и влажности. 2. Программа работы 2.1. Определить ρv и ρs твердых диэлектриков. Метод измерения, материал диэлектрика и величину испытательного напряжения выбрать по указанию преподавателя. 2.2. Для образцов твердых электроизоляционных материалов при комнатной температуре снять зависимость ρv и ρs от величины приложенного напряжения в интервале от 500 до 1500 В. Построить график зависимости ρv и ρs от напряжения. 2.3. В интервале температур от комнатной до 100°С (5-6 точек) снять зависимость ρv и ρs образца электроизоляционного материала. Метод измерения и величину испытательного напряжения выбрать по указанию преподавателя. Построить график зависимости ρv и ρs от температуры. 2.4. Сделать письменно выводы по проведенной работе. 3. Описание лабораторной установки и методика измерения ρv и ρs Как отмечалось, сопротивление изоляции материала зависит от токов поверхностной и объемной проводимостей. Обычно стремятся измерить каждую из составляющих в отдельности, устраняя при этом влияние другой. С этой целью используют систему, состоящую из трех электродов: измерительного, высоковольтного и охранного. Для определения удельного сопротивления измеряется величина протекающего тока Iv и Is . Зная величину приложенного к электродам напряжения, определяют величины сопротивлений: Rv = U Iv или R s = U Is Зная величины сопротивлений и измеряя геометрические размеры образца диэлектрика и электродов, определяют удельные поверхностное и объемное сопротивления. На рисунке 1 представлена упрощенная схема для измерения удельного объемного сопротивления ρv . На ней изображены: нижний высоковольтный электрод - 1; измерительный электрод - 2; охранное кольцо - 3; гальванометр - 4; испытуемый образец - 5. Для измерения ρv плоских образцов охранный электрод имеет форму кольца, которое расположено на поверхности концентрически с измерительным электродом. Охранное кольцо позволяет получить равномерное электрическое поле между электродами 1 и 2 (уменьшает влияние краевого эффекта). Поверхностный ток, который протекает по поверхности образца, с электрода 1 попадает на охранное кольцо и замыкается на источник, минуя гальванометр G. Таким образом, гальванометр будет измерять только объемный ток, проходящий через толщу диэлектрика. 2 Рисунок 1. Схема для измерения удельного объемного сопротивления ρv Рисунок 2. Схема для измерения удельного поверхностного сопротивления ρs Здесь используются те же электроды. Ток от источника подводится к охранному кольцу 3. Поверхностный ток Is протекает по поверхности материала, заключенной между охранным 3 и измерительным 2 электродами, и далее через гальванометр G замыкается на источник. Объемный ток, протекающий между электродами 3-1, замыкается на источник, минуя гальванометр G. Таким образом, гальванометр измеряет только поверхностный ток Is . Измерение токов производится микроамперметром с высокой чувствительностью или гальванометром (последний позволяет измерять токи меньшей величины). Объемное U сопротивление R v = . Iv h По формуле 𝑅 = ρ определяем удельной объемное сопротивление S S ρv = R v , h πd2 где S – площадь измерительного электрода; S = ,м2 ; h – толщина испытуемого 4 образца, м; d - диаметр измерительного электрода, м. Поверхностное сопротивление U Rs= . Is Удельное поверхностное сопротивление определяется по формуле: ρs = R s или по приближенной формуле 3 2π lnd1 /d2 ρs = R s d2 +d1 d2 −d1 , где d2 – диаметр (внутренний) охранного кольца. Рисунок 3. Схема установки для измерения ρv и ρs . Для измерения R v методом непосредственного отклонения гальванометра необходимо переключатель S1 поставить вверх или вниз (переключатель меняет полярность приложенного напряжения), переключатель S2 - в положение «измерение», переключатель S3 - в положение “R v ”, переключатель S4 - разомкнуть, переключатель S5 - замкнуть, переключатель S6 - поставить в положение, соответствующее измерению наибольшего тока, подать напряжение, включив источник постоянного тока. При этом часть объемного тока будет протекать по цепи: «+» источника, переключатель S1 (вверх), сопротивление R1 ,переключатель S2 , переключатель S3 , нижний электрод, переключатель S5 , сопротивление R 5 , гальванометр, а часть - через шунт гальванометра (R 2 , R 3 , R 4 ) на “ - “ источника питания. Поверхностный ток Is при измерении R v с нижнего электрода протекает по поверхности диэлектрика на охранное кольцо, далее через переключатель S3 (в положение R v ), переключатель S1 на “-“ источника (Is - не проходит через гальванометр). Если отклонение гальванометра мало, необходимо увеличить его чувствительность, для чего переключатель S6 поставить в положение, соответствующее измерению меньшего тока. Для измерения R S переключатель S3 поставить в положение R s (вниз), остальные переключатели в те же положения, что и при измерении R v . В этом положении поверхностный ток будет протекать по цепи: “+” источника, переключатель S1 сопротивление R1 , переключатель S2 , переключатель S3 (положение вниз), охранное кольцо, по поверхности диэлектрика на измерительный электрод и далее по той же цепи, что и при измеренииR v , на “-“ источника. 4 Объемный ток Iv при измерении Is будет протекать от охранного кольца через толщу диэлектрика на нижний электрод, переключатель S3 , переключатель S1 на “-“ источника (ток Iv проходит минуя гальванометр). При малых отклонениях гальванометра переключателем S6 необходимо увеличить его чувствительность. Измерение токов Iv и Is методом заряда конденсатора производится с помощью баллистического гальванометра. Для чего переключатель S1 поставить вверх или вниз, переключатель S2 - в среднее положение, переключатель S3 - в положение R v (при измерении R v ) или R s (при измерении R s ), переключатель S4 замкнуть, а S5 разомкнуть, переключатель S6 поставить в положение, соответствующее измерению наибольшего тока, включить источник. Затем на время τ переключатель S2 поставить в положение «измерение». Через время τ (порядка 300 с) конденсатор C заряжается током Iv или Is . Величина заряда конденсатора зависит от величины протекающего через диэлектрик тока. После того как конденсатор зарядится (через τ, с), переключатель S2 поставить в среднее положение и быстро замкнуть переключатель S5 , при этом баллистический гальванометр измерит величину заряда конденсатора: gτ = α∙Cδ n , где τ - отклонение гальванометра, мм; C6 - его баллистическая постоянная, К/м; n - шунтовое число. Сопротивление диэлектрика Rx = n∙τ∙ U0 α∙ C6 , где U0 - напряжение источника, В; τ - время заряда конденсатора, с. По величине R x вычисляются значения ρv и ρs по приведенным формулам. Перед повторным измерением необходимо снять заряды с электродов, для чего переключатель S1 поставить в среднее положение, а переключатель S2 - в положение разряда. Предлагается самостоятельно проследить цепи заряда конденсатора при измерениях ρv и ρs цепь измерения заряда гальванометра и цепи разряда электродов. Для определения баллистической постоянной гальванометра необходимо переключатель S1 поставить в среднее положение, переключатель S2 - в нижнее положение («разряд»), переключатели S4 и S5 разомкнуть, переключатель S3 в положение «R v », переключатель шунта должен быть в положении, при котором производилось измерение. Замкнуть накоротко нижний и измерительный электроды. Переключателем S1 подать напряжение (включить вверх или вниз), замкнуть переключатель S4 , на время T (по указанию преподавателя) переключатель S2 поставить в положение «измерение». В течение времени T заряжается конденсатор С через эталонное сопротивление R1 . Через время T выключить напряжение, для чего переключатель S2 поставить в среднее положение и немедленно разрядить конденсатор на гальванометр, замкнув переключатель S5 . Заметить наибольшее отклонение α гальванометра. 5 Баллистическая постоянная Cδ = T∙U0 ∙n R0 ∙α . При измерении R v и R s образцов при повышенных температурах их размещают в термостате. Установив регулятор на нужную температуру, производят нагрев и последующую выдержку образцов при выбранной температуре в течение 10-15 минут. Измерения производят при заданном напряжении для 5-6 значений температуры образцов. Расчеты ρv и ρs производят по описанной выше методике. 4. Расчётная часть Расчёт объёмного сопротивления R v1 = R v3 = R v5 = U1 Iv1 U3 Iv3 U5 Iv5 = = = 500 В 10−5 = 5 ∙ 107 Ом; А 2000 В 7,8∙10−5 А 3000 В R v2 = = 2,564 ∙ 107 Ом; R v4 = = 2,7 ∙ 107 Ом; R v6 = 1,08∙10−4 А U2 Iv2 U4 Iv4 U6 Iv6 = = = 1000 В 2,8∙10−5 А 2500 В 9,6∙10−5 А 4000 В = 3,571 ∙ 107 Ом; = 2,6 ∙ 107 Ом; 1,56∙10−4 А = 2,564 ∙ 107 Ом. Расчёт поверхностного сопротивления R s1 = R s3 = R s5 = U1 Is1 U3 Is3 U5 Is5 = = = 500 В 7,5∙10−6 А 2000 В 5,6∙10−5 А 3000 В 9,5∙10−5 А = 6,667 ∙ 107 Ом; R s2 = = 3,571 ∙ 107 Ом; R s4 = = 3,158 ∙ 107 Ом; R s6 = U2 Is2 U4 Is4 U6 Is6 = = = 1000 В 1,8∙10−5 А 2500 В 8,4∙10−5 А 4000 В = 5,556 ∙ 107 Ом; = 2,976 ∙ 107 Ом; 1,32∙10−4 А = 3,03 ∙ 107 Ом. Расчёт площади измерительного электрода π ∙ d2 π ∙ 0,052 м S= = = 1,96 ∙ 10−3 м2 4 4 Расчёт удельного объёмного сопротивления S 1,96 ∙ 10−3 м2 7 ρv1 = Rv1 = 5 ∙ 10 Ом ∙ = 3,2725 ∙ 107 Ом ∙ м; −3 h 3 ∙ 10 м S 1,96 ∙ 10−3 м2 7 ρv2 = Rv2 = 3,571 ∙ 10 Ом ∙ = 2,34 ∙ 107 Ом ∙ м; −3 h 3 ∙ 10 м S 1,96 ∙ 10−3 м2 7 ρv3 = Rv3 = 2,564 ∙ 10 Ом ∙ = 1,68 ∙ 107 Ом ∙ м; −3 h 3 ∙ 10 м S 1,96 ∙ 10−3 м2 7 ρv4 = Rv4 = 2,6 ∙ 10 Ом ∙ = 1,7 ∙ 107 Ом ∙ м; −3 h 3 ∙ 10 м S 1,96 ∙ 10−3 м2 7 ρv5 = Rv5 = 2,7 ∙ 10 Ом ∙ = 1,77 ∙ 107 Ом ∙ м; −3 h 3 ∙ 10 м 6 S 1,96 ∙ 10−3 м2 7 ρv6 = Rv6 = 2,564 ∙ 10 Ом ∙ = 1,68 ∙ 107 Ом ∙ м. −3 h 3 ∙ 10 м Расчёт удельного поверхностного сопротивления d +d 7 0,06 м+0,05 м 8 d +d 7 0,06 м+0,05 м 8 d +d 7 0,06 м+0,05 м 8 d +d 7 0,06 м+0,05 м 8 d +d 7 0,06 м+0,05 м 8 ρs1 = Rs1 d2−d1 = 6,667 ∙ 10 Ом ∙ 0,06 м− 0,05 м = 7,33 ∙ 10 Ом; 2 1 ρs2 = Rs2 d2−d1 = 5,556 ∙ 10 Ом ∙ 0,06 м− 0,05 м = 6,11 ∙ 10 Ом; 2 1 ρs3 = Rs3 d2−d1 = 3,571 ∙ 10 Ом ∙ 0,06 м− 0,05 м = 3,93 ∙ 10 Ом; 2 1 ρs4 = Rs4 d2−d1 = 2,976 ∙ 10 Ом ∙ 0,06 м− 0,05 м = 3,27 ∙ 10 Ом; 2 1 ρs5 = Rs5 d2−d1 = 3,158 ∙ 10 Ом ∙ 0,06 м− 0,05 м = 3,47 ∙ 10 Ом; 2 1 d +d 0,06 м+0,05 м 7 8 ρs6 = Rs6 d2−d1 = 3,03 ∙ 10 Ом ∙ 0,06 м− 0,05 м = 3,33 ∙ 10 Ом. 2 1 5. Таблицы экспериментальных и расчётных данных, графики зависимостей Таблица 1. Исходные данные и результаты измерений № Измерения U0 кВ 1 0,5 10 50 2 1 28 3 2 4 ρv Iv Rv мкА МОм МОм∙м U0 кВ Is мкА Rs МОм ρs МОм 32,725 0,5 7,5 66,67 733,35 35,71 23,372 1 18 55,56 611,16 78 25,64 16,78 2 56 35,71 392,81 2,5 96 26 17 2,5 84 29,76 327 5 3 108 27 17,67 3 95 31,58 347,38 6 4 156 25,64 16,78 4 132 30,3 333,3 7 h, мм d1 , мм d2 , мм 3 50 60 МОм∙м 35 30 25 20 15 ρv 10 5 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 U0 3 3,5 4 4,5 В Рисунок 4. График зависимости удельного объёмного сопротивления (ρv ) от напряжения (U0 ) 8 МОм∙м 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 ρv 1 0,5 0 0 100 200 300 400 U0 500 600 700 800 В Рисунок 5. График зависимости удельного поверхностного сопротивления (ρs ) от напряжения (U0 ) 6. Вывод Выполнив данную лабораторную работу, я изучил методику определения удельного поверхностного сопротивления “ρs ” и удельного объемного сопротивления “ρv ”.Также сделал вывод в соответствии с графиками о том, что удельное поверхностное и объёмное сопротивления уменьшаются с увеличением напряжения вследствие электронной ионизации. 9
