Как найти удельное сопротивление диэлектрика

1. Удельные объемное и поверхностное сопротивления диэлектриков. Схемы измерения.

Удельное объемное
электрическое сопротивление ρ_v,
численно равное сопротивлению куба из
исследуемого материала с ребром 1 м,
через который проходит электрический
ток от одной грани куба к противоположной.
Для плоского образца диэлектрика (рис.
4.6) величина удельного объемного
сопротивления определяется:

(Ом*м) где R_v
— объемное сопротивление образца; S
— площадь электрода; d
— толщина образца.

Удельное поверхностное
сопротивление ρ_s,
численно равно сопротивлению квадрата
любого размера на поверхности материала
при прохождении электрического тока
через две его противоположные стороны.
Для плоского образца диэлектрика (рис.
4.7) величина удельного поверхностного
сопротивления определяется:

(Ом) где R_s
— поверхностное
сопротивление образца; h
— ширина
электрода; l
— расстояние между электродами.

Основной
причиной появления поверхностной
проводимости является влага, оседающая
на поверхности диэлектрика. Полная
проводимость твердого диэлектрика,
соответствующая его сопротивлению
изоляции складывается из его объемной
и поверхностной проводимости. Сопротивление
изоляции:

В случае измерения
R_V
верхний
электрод (1) является измерительным и
имеет нулевой потенциал. Охранное кольцо
(2) также имеет нулевой потенциал и
необходимо для исключения поверхностных
токов. Нижний электрод (3) является
потенциальным и необходим для создания
электрического поля в исследуемом
образце. При измерении R_S
охранное
кольцо (2) выступает в роли потенциального
электрода, а нижний электрод (3) становится
заземленным. Режим измерения выбирается
с помощью переключателя (R_V
/ R_S).
Измерительная ячейка с исследуемым
образцом помещены в термостат, который
дает возможность исследовать температурные
зависимости R_V(T)
и R_S(T).

1. Относительная диэлектрическая проницаемость. Факторы, влияющие на относительную диэлектрическую проницаемость.

Мерой поляризации диэлектрика является
относительная диэлектрическая
проницаемость.
ОДП:

где D
— электрическая индукция, (Кл/м²),
которая характеризует количество
заряда, протекающего через некоторую
поверхность, отнесенного к этой
поверхности; Е
— напряженность электрического поля,
(В/м); ε₀
= 8,85·10^{— 12}
Ф/м — электрическая постоянная.
Относительная диэлектрическая
проницаемость (ε)
показывает во сколько раз емкость
конденсатора (С_д)
с диэлектриком больше емкости того же
конденсатора, между обкладками которого
вакуум (С_о):
.
Относительная
диэлектрическая проницаемость газов
близка к единице (ε_{воздуха}
= 1,006), относительная диэлектрическая
проницаемость жидкостей зависит от их
полярности и меняется от 2 до 10 (у высоко
полярных жидкостей может достигать
30), ′
твердых веществ колеблется от 2 до 10⁵
и более (керамика).
Электронная
поляризация:
Относительная диэлектрическая
проницаемость неполярных диэлектриков
не зависит от частоты электрического
поля, вплоть до резонансной (10¹⁶
– 10¹⁷
Гц) (рис. 4.1, а).
При росте температуры величина ε
уменьшается из-за уменьшения плотности
вещества, для неполярных полимеров
наблюдается резкий скачок при температуре
плавления (рис. 4.1, б).

Ионная
поляризация: Относительная
диэлектрическая проницаемость веществ,
характеризующихся ионной поляризацией,
также не зависит от частоты вплоть до
резонансной (рис. 4.3, а).
При росте температуры величина ε обычно
возрастает, так как из-за уменьшения
величины силы упругих связей увеличивается
подвижность ионов (рис. 4.3, б),
однако если ионная поляризация в веществе
по своей значимости уступает электронной,
то зависимость ε
от температуры может иметь спадающий
характер.

Дипольная
поляризация: Для
полярных диэлектриков до частоты равной
10⁶
– 10⁸
Гц величина ε практически не меняется,
но когда период изменения внешнего
электрического поля становится
соизмеримым со временем установления
дипольной поляризации, диэлектрическая
проницаемость уменьшается до значения
ε,
соответствующего электронной поляризации
(рис. 4.4, а).
С ростом температуры вязкость вещества
падает, следовательно, подвижность
диполей, сегментов и радикалов
увеличивается и ε
возрастает, но при достижении определенной
температуры Т*,
тепловое движение будет настолько
велико, что оно станет мешать ориентации
диполей по направлению поля и ε постепенно
станет уменьшаться (рис. 4.4, б).

Спонтанная
поляризация
присуща сегнетоэлектрикам, величина
ε,
может достигать 10000 и более. С ростом
температуры относительная диэлектрическая
проницаемость сегнетоэлектриков растет
вплоть до температуры Кюри (Т_к),
после достижения, которой ε
резко падает.

1. Основные
   требования к электрофизическим свойствам
   жидких диэлектриков.

Электроизоляционные
жидкости должны обеспечивать изоляцию
токоведущих частей электрооборудования
(трансформаторов, кабелей и др.), являться
диэлектрической средой с высокой
диэлектрической проницаемостью в
конденсаторах, служить теплоотводящей
средой, а также способствовать быстрому
гашению электрической дуги в выключателях.
Требования к жидким диэлектрикам
определяются конструкцией оборудования,
в котором они используются, а также
условиями эксплуатации и экологической
безопасностью.
Электрическая
прочность
пропитывающих жидкостей должна быть
высокой. Наряду с примесями на электрическую
прочность жидкостей оказывает влияние
также вид, длительность и значение
приложенного напряжения, а также форма,
материал и состояние поверхности
электродов.
Величина
тангенса диэлектрических потерь
пропитывающей жидкости должна быть
минимальной. Величина tgδ
зависит как от химической природы
жидкости, так и от степени ее загрязнения
различными примесями.
Электрическое
сопротивление
пропитывающей жидкости должно быть
высоким.
Величина
относительной диэлектрической
проницаемости
пропитывающей жидкости выбирается в
зависимости от особенностей изоляции
электрооборудования. Для изоляции
трансформаторов и кабелей важно, чтобы
значения ε
пропитывающей жидкости и твердого
изоляционного материала были бы
достаточно близкими. В ряде случаев
(например, для кабельной изоляции)
величина относительной диэлектрической
проницаемости должна быть минимальной,
чтобы увеличить пропускную способность
кабеля. Наоборот, для электрических
конденсаторов необходимы пропитывающие
жидкости с максимальным значением ε
для увеличения
удельных параметров конденсаторов.

Стойкость
к воздействию электрического поля
(газостойкость) Пропитывающие
жидкости для изоляции высоковольтного
электрооборудования (конденсаторов,
кабелей) должны характеризоваться
высоким значением напряжения возникновения
частичных разрядов (U_ЧР),
низкой амплитудой и частотой повторения
импульсов частичных разрядов (Q_ЧР,
n_ЧР)
и высокой способностью поглощать
газообразные продукты старения.
Определенный
уровень вязкости, стабильность против
окисления.
Безопасность.
Электроизоляционные
жидкости должны быть негорючими, а смеси
их паров с воздухом
взрывобезопасными.
Электроизоляционные
жидкости должны быть совместимыми с
твердой изоляцией и конструктивными
материалами, используемыми в
электрооборудовании
Высокая способность
пропитывающих жидкостей быстро и
достаточно полно разрушаться под
действием солнечной радиации и
микроорганизмов (биодеградация)

Ни один из существующих
жидких диэлектриков полностью не
удовлетворяет этим требованиям. Поэтому
при выборе жидкого диэлектрика
обеспечивают их соответствие важнейшим
требованиям, а наименее важными
пренебрегают, недостатки диэлектрика
компенсируют, вводя ограничения на
условия эксплуатации

1. Проводники.
   Термо-э.д.с. Сплавы для термопар.

Проводники
– материалы, имеющие свободные заряды,
которые могут перемещаться в объеме
проводника под действием сколь угодно
малого внешнего электрического поля
В
электрической цепи, составленной из
двух различных проводников, контакты
которых находятся при различных
температурах, возникает термоэлектродвижущая
сила (термо-ЭДС). Причины
возникновения термо-ЭДС: 1. Разность в
работе выхода электронов в проводниках;
2. Различие концентраций квазисвободных
электронов в соединенных проводниках.
Т2>Т1

Термо-ЭДС
(u)
в цепи, составленной из двух различных
проводников А и В, определяется следующим
выражением:

,где
k
– коэффициент Больцмана; е – заряд
электрона; Т – температура; n_A
– концентрация квазисвободных электронов
в материале А; n_В
– концентрация квазисвободных электронов
в материале В; Ψ – термоэлектрический
коэффициент. Термо-ЭДС, возникающая в
месте контакта двух проводников, может
быть использована в двух вариантах: 1.
Если надо создать термопару, используемую
для измерения температуры, необходимо
подобрать проводники так, чтобы u
была максимальна. 2. Если надо избежать
возникновения паразитных ЭДС в
электрической схеме, то следует подбирать
такие проводники, чтобы u
была минимальна.
Сплавы
для термопар. Сплавы
на основе меди.
Константан —
(60 % Cu + 40 % Ni). Особенности константана: в
контакте с медью он дает высокое значение
термо-ЭДС, порядка 50 мкВ/°С. Интервал
рабочих температур: (− 273 ÷ 400) ºС,
кратковременно до 700 ºС; имеется слабая
зависимость удельного электрического
сопротивления от температуры. Копель
— (56 % Cu + 44 % Ni). В сплав также входит
небольшое количество кобальта.
Сплавы
на основе никеля.
Алюмель — (95
% Ni + 5 % (Al, Si, Mn, Co)), его рабочая температура
достигает 600 °С. Хромель — (90 % Ni + 10 % Cr +
1 % Co), его рабочая температура до 1000 °С.

Соседние файлы в папке Экзамен

• #
• #

Удельное сопротивление — свойство диэлектриков

Фундаментальное свойство диэлектриков – это удельное сопротивление. Удельное сопротивление может быть использовано для определения пробоя диэлектрика, тангенса угла потерь, содержание влаги, механической целостности и других важных свойств материала. Для измерения таких больших величин сопротивления диэлектриков существуют специальные измерительные приборы – электрометры и используются они благодаря их способности измерять малые токи.

От чего зависит удельное сопротивление?

Удельное сопротивление диэлектрика — это измерение источника известного напряжения, приложенного к образцу, измерение полученного тока и расчета сопротивления с помощью закона Ома. После измерения сопротивления, удельное сопротивление определяется на основе физических параметров испытуемого образца.

Удельное сопротивление зависит от нескольких факторов. Во-первых, оно зависит от приложенного напряжения. Иногда напряжение может изменяться умышленно, чтобы определить зависимость напряжения диэлектрика. Удельное сопротивление также варьируется в зависимости от продолжительности времени, электрификации. Чем больше напряжение, тем выше сопротивление, потому что материал продолжает заряжаться в геометрической прогрессии. Экологические факторы также влияют на удельное сопротивление диэлектрика. В общем, чем выше влажность, тем ниже сопротивление.

Для получения точных сведений теста нужно, чтобы приложенное напряжение, время электрификации и условия окружающей среды должны быть постоянными.

Удельное поверхностное сопротивление

Поверхностное сопротивление (Ом/квадрат) — способность пропускать электрический ток по поверхности диэлектрика — определяется как электрическое сопротивление поверхности диэлектрического материала. Измерение происходит от электрода к электроду вдоль поверхности образца диэлектрика. Так как длина поверхности фиксированная, то измерение не зависит от физических размеров (т.е. толщины и диаметра) образца диэлектрика. 

Объемное удельное электрическое сопротивление

Объемное удельное сопротивление (Ом*см) — способность пропускать электрический ток через его объем — измеряется путем приложения потенциала напряжения на противоположных сторонах образца диэлектрика и измерения результирующего тока через образец.

Удельное объемное электрическое сопротивление определяется как электрическое сопротивление с помощью куба из диэлектрического материала.

Если значение выражено в Ом*см, то это измерение электрического сопротивления через 1 сантиметр куба диэлектрического материала. Если выражено в Ом*Дюйм, то это электрическое сопротивление через 1 дюйм куба изоляционного материала.

Приборы для измерения удельного сопротивления диэлектриков

Измерения поверхностного и объемного удельного сопротивления производятся с помощью электрометра Keithley 6517B совместно с испытательной камерой удельного сопротивления Keithley 8009.

Ниже указана ссылка, где Вы можете прочитать подробнее об измерениях удельного сопротивления при помощи электрометра Keithley 6517B >>

и тестовой оснастки (испытательной камеры удельного сопротивления) Keithley 8009 >>>

Консультация специалиста по оборудованию и проведению измерений 

Если Вам необходима консультация специалиста по проведению измерений, свяжитесь с нашими специалистами. 
На все вопросы по приобретению оборудования для измерения удельного сопротивления Вам ответит наш инженер — Баширов Руслан. 
Тел. +7 (495) 204-13-17, e-mail: br@sernia.ru.
Руслан Баширов — Технический специалист по электронно-измерительному оборудованию.

Страница 20 из 59

§ 39. Способы измерения электрических характеристик диэлектриков
Как было указано выше, удельное сопротивление является основной электрической характеристикой всякого электротехнического материала (проводникового, электроизоляционного и полупроводникового). Оно вычисляется по формуле, известной из электротехники,
(26)
У проводниковых материалов (металлические проводники) удельное сопротивление определяется наиболее просто. Для этого берут отрезок проволоки (см. рис. 12), имеющий площадь поперечного сечения S и длину /. Измерив общее сопротивление этого отрезка, вычисляют значение удельного электрического сопротивления по формуле (26).
Для измерения удельного сопротивления проводников принята единица ом-мм-1м. Единицей измерения удельного сопротив-
ления электроизоляционных материалов является омсантиметр (ом-см) . Эта единица в 10000 раз больше ом- мм.2 / м, т. е.

Рис. 66. Принципиальная схема установки для измерения тока объемной электропроводности диэлектрика
1 ом-см= 10 000 ом-мм2/м. Величину удельного объемного сопротивления q„ электроизоляционных материалов определяют посредством измерения тока, протекающего через заданный объем испытуемого образца диэлектрика.

Рис. G7. Образец твердого диэлектрика с тремя электродами для определения удельного объемного сопротивления:
1 — нижний электрод, 2 — верхний электрод, 3 — кольцевой электрод, 4 — образец диэлектрика
Принципиальная схема установки для измерения тока объемной проводимости диэлектрика представлена на рис. 66. Здесь напряжение U подводится к нижнему 1 и верхнему 2 металлическим электродам, плотно прилегающим к поверхности образца твердого диэлектрика. В качестве образцов используют диски диаметром от 50 до 100 мм или пластины квадратной формы со сторонами 50 и 100 мм. Толщина образцов может колебаться от нескольких сотых миллиметра (пленки) до нескольких миллиметров (пластмассы, керамика и др.).
Кроме нижнего электрода 1 и верхнего 2, образец  диэлектрика снабжают еще кольцевым (охранным)* электродом 3 (рис. 67). С помощью этого электрода и провода а (см. рис. 66) ток поверхностной утечки отводится от гальванометра Г, так как для вычисления удельного объемного сопротивления необходимо измерить только ток объемной электропроводности Iv.
Этот ток определяют при приложении к электродам 1 и 2 постоянного напряжения U, которое измеряют при помощи вольтметра V. По измеренным значениям U и Iv вычисляют общее сопротивление части материала Rv, ограниченной электродами / и 2.

*Охранным электрод называется потому, что с его помощью ток поверхностной электропроводности отводится от гальванометра, т. е. этот электрод «охраняет» гальванометр от попадания в него тока поверхностной электропроводности.

Общее объемное сопротивление образца диэлектрика подсчитывается согласно закону Ома

Затем вычисляют удельное объемное сопротивление диэлектрика по формуле
(27)
где S — площадь верхнего электрода, см2;

h — толщина диэлектрика, см, через которую проходит ток объемной электропроводности.
Значения удельного объемного сопротивления у электроизоляционных материалов находятся в пределах:


Рис. 69. Образец твердого диэлектрика с концентрически расположенными верхними электродами
Второй электрической характеристикой диэлектриков является удельное поверхностное сопротивление qs.

Рис. 68. Принципиальная схема установки для измерения тока поверхностной электропроводности диэлектрика

      В системе единиц СИ за единицу удельного объемного электрического сопротивления принят ом-м (омметр). Омсантиметр является частью, т. е. дольной единицей от омметра: 1 ом.м=100 ом-см.

Оно определяется на  тех же образцах материалов, что и удельное объемное сопротивление, по в качестве охранного электрода используется нижний электрод 1 (рис. 68).
Принципиальная схема установки для измерения тока поверхностной электропроводности на образце диэлектрика с концентрически расположенными электродами 2 и 3 показана на рис. 68. В этой установке гальванометр Г измеряет токи, протекающие по поверхности диэлектрика (в кольцевом слое) от электрода 1 к электроду 2 (см. рис, 69). Токи же объемной утечки  поступают на нижний электрод и отводятся от гальванометра по проводу а.
При помощи вольтметра V измеряют напряжение между электродами 1 п 2 (см. рис. 68).
Здесь также вначале подсчитывают величину общего поверхностного сопротивления Rs кольцевого слоя между концентрически расположенными электродами 1 и 2 (по закону Ома)

Величина же удельного поверхностного сопротивления подсчитывается по общей формуле
Длина пути утечки тока по поверхности диэлектрика будет равна ширине зазора между электродами 1 и 2, т. е.
(28)
Вместо сечения S здесь приходится пользоваться условным сечением S’ — длиной окружности электрода 2, из каждой точки которой начинают протекать токи поверхностной электропроводности. Вместо длины окружности электрода 2 можно взять длину внутренней окружности электрода 3, но, чтобы уменьшить ошибку, в качестве условного сечения берут длину средней окружности, диаметром. Тогда величина условного сечения S’ (длина средней окружности) будет равна
(29)
Подставляя найденные величины в (26), получим выражение для подсчета удельного поверхностного сопротивления
(30)
Удельное поверхностное сопротивление диэлектриков находится в пределах
У проводниковых и полупроводниковых материалов измеряется только общее удельное сопротивление (q), так как у этих материалов нельзя разделить токи объемной и поверхностной электропроводности, а следовательно, нельзя вычислить отдельно удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления. Это объясняется повышенной проводимостью этих материалов.
Диэлектрическая проницаемость е данного диэлектрика определяется из величины емкости Сх конденсатора, имеющего этот диэлектрик. В большинстве случаев для этого измерения используют плоский конденсатор (рис. 70).
Электрическую емкость (Сх) конденсатора с испытуемым диэлектриком измеряют при помощи моста переменного тока (рис. 71), состоящего из четырех плеч: 1—2; 1—4 2—3; 4—3.
К мосту переменного тока подводится переменное напряжение (частотой 50 Гц) от однофазного трансформатора Тр, один из выводов которого заземлен. Соответственно заземлена точка 3 моста. Исследуемый образец Сх диэлектрика включается в плечо (ветвь) 1—2 моста. В противоположной ветви 1—4 моста включен образцовый воздушный конденсатор С0. Два разрядника Р, подключенные к точкам моста 2 и 4, предназначены для отведения в землю токов в случае пробоя испытуемого диэлектрика Сх или в случае пробоя образцового конденсатора С0.

Рис. 71. Принципиальная схема моста переменного тока: сх — испытуемый диэлектрик, С0 — образцовая емкость (воздушный конденсатор), Яз — изменяемое (регулируемое) сопротивление. Р4 — постоянное сопротивление

Рис. 70. Плоский конденсатор: 1 — диэлектрик, 2 — электрод
Работа на мосте переменного тока сводится к подбору регулируемых сопротивлений R3 и емкости С4 при которых наступит равновесие моста и ток не будет протекать через вибрационный гальванометр ВГ.
Он будет показывать нуль.
При достигнутом равновесии моста искомая величина емкости вычисляется по формуле

(31)
где С0 — емкость образцового (воздушного) конденсатора,
|» — регулируемая емкость, ВГ — вибрационный гальванометр (индикатор равновесия моста), Р — безвоздушный разрядник, Тр — однофазный трансформатор
R3 — переменное (регулируемое) сопротивление, оформленное в виде магазина проволочных сопротивлений, ом;
R4 — образцовое (постоянное) проволочное сопротивление,
10000 ,  равное  ом (я=3,14).
Я
По найденной величине емкости Сх и известным величинам площади центрального электрода S и толщины диэлектрика h подсчитывают диэлектрическую проницаемость е электроизоляционного материала
(32 )
где е0=8,85416-10-2 пф/см= 8,85• 10-2 пф/см (электрическая постоянная) ; h — толщина диэлектрика, см;
S — площадь диэлектрика (см2), находящаяся под электродом.
Тангенс угла диэлектрических потерь (tg б) есть электрическая характеристика, с помощью которой определяется активная мощность (диэлектрические потери) в электроизоляционном материале, работающем под переменным напряжением.
Тангенс угла диэлектрических потерь (tg б) измеряют на том же мосте переменного тока (рис. 71). При достигнутом равновесии моста величину tg 6 вычисляют по формуле, согласно которой tg 6, численно равен величине регулируемой емкости С4 моста, т. е,

где С4 — величина образцовой емкости в мосте переменного тока, при которой достигнуто равновесие моста.
Так, если равновесие моста было достигнуто при С4 = 0,02 ф, то тангенс угла диэлектрических потерь у этого электроизоляционного материала равняется tg 6=0,02.
Электрическая прочность (EПр)—электрическая характеристика, с помощью которой оценивается способность электроизоляционного материала противостоять разрушению его электрическими силами, т. е. пробою. Как известно из предыдущего, электрическая прочность электроизоляционного материала (при пробое в равномерном поле) вычисляется по формуле
(33)
где t/np — величина приложенного к диэлектрику напряжения, при котором произошел пробой, измеряемая в киловольтах, кВ h — толщина диэлектрика в месте пробоя, мм.
Рис. 72. Образцы твердых диэлектриков для измерения электрической прочности

Рис. 73. Образец твердого диэлектрика со сферическими электродами для измерения электрической прочности
Для точного определения электрической прочности твердых диэлектриков применяют образцы со сферическими выемками (рис. 72), которые делаются для того, чтобы создать равномерное электрическое поле в наиболее тонком месте испытуемого образца. Поверхность выемок предварительно металлизируется или покрывается слоем графитовой краски, чтобы создать плотное соприкосновение металлических электродов 2 и 3 с испытуемым образцом 1 (рис. 73). В ряде случаев выемки имеют форму цилиндров, в которые вставляются электроды цилиндрической формы.

Рис. 74. Перекрытие твердого диэлектрика в воздухе:
1 — металлические электроды, 2 — диэлектрик
Из-за небольшой электрической прочности воздуха (EПр~3 кВ/мм) образец твердого диэлектрика, как правило, не удается довести до пробоя в воздухе, вследствие его поверхностного перекрытия искровым разрядом (рис. 74). Поэтому пробой образцов твердых диэлектриков производят в среде какого-либо жидкого диэлектрика, например, изоляционного масла, так как масло обладает значительно большей электрической прочностью по сравнению с воздухом. Для этого испытуемый образец 7 (рис. 75), зажатый между двумя металлическими электродами 5 и 6, погружают в сосуд с жидким диэлектриком. К электродам подводят переменное напряжение от трансформатора Тр испытательной установки. С помощью регулирующего устройства (автотрансформатора) 2 напряжение, приложенное к испытуемому образцу диэлектрика, плавно повышают до наступления пробоя.

Рис. 75. Схема установки для определения электрической прочности диэлектриков
Момент пробоя диэлектрика сопровождается резким падением напряжения, отмечаемым по вольтметру V. Одновременно наблюдается сильное возрастание тока, показываемое амперметром А, включенным в первичную цепь трансформатора Тр. Для ограничения тока в момент пробоя в испытательную цепь установки включается большое сопротивление 4 и реле максимального тока 3. Последнее выключает установку при возрастании тока в момент пробоя диэлектрика. Включается установка с помощью рубильника 1. Для обеспечения наиболее точной величины электрической прочности данного диэлектрика производят 5—6 пробоев данного материала и вычисляют среднюю арифметическую величину Eпр.
Пробой жидких диэлектриков производят в стандартном пробойнике (рис. 76), представляющем собой фарфоровый сосуд 1, в стенках которого закреплены друг против друга латунные стержни 2 с дисковыми латунными электродами 3 диаметром 25 мм.

Рис. 76. Пробойник для измерения электрической прочности жидких диэлектриков
Для создания между электродами равномерного электрического поля края электродов закруглены по радиусу 2 мм. Электроды отстоят один от другого на расстоянии 2,5 мм. Таким образом, при измерении электрической прочности жидких диэлектриков пробивают слой электроизоляционной жидкости толщиной в 2,5 мм, находящейся между двумя электродами, оси которых совпадают.

Рис. 77. Аппарат для испытания жидких диэлектриков на пробой:
I—застекленное отверстие для наблюдения за пробоем жидкого диэлектрика, 2— крышка, 3— металлический кожух аппарата, 4 — ручка от регулирующего автотрансформатора, 5 — ролики для передвижения аппарата, 6 — шланговый пропой для включения аппарата в сеть

Во избежание искажения электрического поля расстояние от электродов до стенок и дна сосуда пробойника должно быть не менее 15 мм. Толщина слоя испытуемой электроизоляционной жидкости над электродами также должна быть не менее 15 мм. В описываемый стандартный пробойник заливают 0,5 л испытуемой жидкости, которой дают отстояться в течение 10 мин (не менее).
Пробойник с залитой в него электроизоляционной жидкостью включают в сеть высшего напряжения испытательного трансформатора (см. рис. 75). После этого плавно повышают напряжение до момента пробоя жидкого диэлектрика.
В момент пробоя отмечается напряжение по вольтметру. Момент пробоя сопровождается треском и появлением между дисковыми электродами светящейся искры. Светящуюся искру обычно наблюдают через застекленное отверстие 1 в крышке 2 специального аппарата (рис. 77), в котором производят пробой жидких диэлектриков. В металлическом кожухе 3 этого аппарата помещается трансформатор, пробойник и регулирующее устройство (автотрансформатор). Ручка 4 от регулирующего автотрансформатора выведена наружу кожуха.
Всего производят 5—10 пробоев данной электроизоляционной жидкости. После каждого пробоя жидкость в пробойнике перемешивают чистой стеклянной палочкой, а затем ей дают отстояться в течение 5 мин (для трансформаторного масла). Во время отстоя из электроизоляционной жидкости удаляются пузырьки воздуха (газов), наличие которых приводит к понижению электрической прочности жидкого диэлектрика. Из нескольких пробоев одной и той же пробы жидкого диэлектрика, залитого в пробойник, вычисляют среднее арифметическое значение электрической прочности. Это значение Епр является характеристикой, определяющей электрическую прочность данной электроизоляционной жидкости.
Порядок подготовки электроизоляционной жидкости к пробою и количество пробоев, необходимых для вычисления средней величины электрической прочности, устанавливаются в технических условиях или в ГОСТе на данную электроизоляционную жидкость.

1.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков

1.2.2. Электропроводность жидкостей

1.2.3. Электропроводность газов

1.2.4. Поверхностная электропроводность диэлектриков

Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый незначительный ток, называемый током утечки. Чем выше удельное сопротивление материала r, тем выше качество электроизоляционного материала. Электропроводность диэлектриков имеет ряд характерных особенностей.

Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика, ток через объем участка изоляции — объемный сквозной ток I_V — очень мал и сравнимым с ним оказывается ток по поверхности — поверхностный сквозной ток I_S. Поэтому необходимо учитывать наряду с объемным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции равным:

. (1.3)

Следовательно проводимость G = I / U складывается из проводимостей объемной G = I_V / U и поверхностной G = I_S / U:

. (1.4)

Величины обратные указанным проводимостям, называют сопротивлениями участка изоляции — объемным R_V и поверхностным R_S. Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений:

. (1.5)

Под удельным сопротивлением диэлектрика ρ обычно понимают удельное объемное сопротивление, а для характеристики R_S вводят понятие удельного поверхностного сопротивления r _S.

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектриков является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения. В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения I_см, плотность которого J_см = ∂D /∂t. Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы источник — образец, которое обычно мало. Однако ток продолжает изменяться и после этогочасто в течение минут и даже часов. Медленно меняющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределением свободных зарядов в объеме диэлектрика, называют током абсорбции I_абс.

Ток абсорбции связан с поглощением носителей заряда объемом диэлектрика: часть носителей заряда встречает на своем пути дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда все дефекты заполнятся носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток I_скв, который обусловлен прохождением носителей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объемного и поверхностного сквозных токов:

(1.6)

Ток абсорбции приводит к накоплению носителей заряда в определенных местах диэлектрика — дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объемных зарядов распределение напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным.

1.2.1. Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность твердых диэлектриков чаще всего носит не электронный а ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектриках D W >> kT и лишь ничтожное количество электронов может отрываться от своих атомов за счет теплового движения. Ионы же часто оказываются слабо связанными в узлах решетки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с kT. Поэтому, несмотря на меньшую подвижность ионов по сравнению с подвижностью электронов, ионная проводимость оказывается больше электронной за счет большей концентрации свободных ионов:

(1.7)

Носителями заряда в диэлектриках обычно оказываются ионы малых размеров, подвижность которых выше.

Удельная электрическая проводимость твердых диэлектриков, как и полупроводников, растет с ростом температуры по экспоненциальному закону:

. (1.8)

Однако зависимость g (Т) часто обусловлена не экспоненциальным ростом концентрации носителей, как в полупроводниках, а ростом подвижности.

Обычно в диэлектрике имеется несколько видов носителей заряда. Например, кроме ионов основного вещества могут иметься слабо связанные ионы примесей. В этом случае удельная проводимость складывается из собственной и примесной.

Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества: положительные ионы движутся к катоду, а отрицательные к аноду. Электролиз особенно ярко выражен при повышенных температурах, когда r мало, и приложении высоких постоянных напряжений. По выделившемуся на электродах веществу можно определить характер носителей заряда. У диэлектриков с чисто ионным характером электропроводности строго выполняется закон Фарадея пропорциональности между количеством пропущенного электричества и количеством выделившихся веществ.

Некоторые диэлектрики обладают электронной или дырочной электропроводностью. Однако носителями часто являются электроны не основного вещества, а примесей и дефектов.

В кристаллах удельное сопротивление зависит от направления. Вдоль оптической оси оно ниже, чем поперек этой оси.

1.2.2. Электропроводность жидкостей

Электропроводность жидкостей обусловлена ионами, образующимися при диссоциации молекул самой жидкости или ее примесей. В связи с увеличением энергии хаотического теплового движения молекул степень ионизации и концентрация ионов растет с повышением температуры по экспоненциальному закону:

, (1.9)

где W- энергия диссоциации. Отсюда удельная проводимость:

. (1.10)

Здесь μ₊ и μ_– — подвижности положительных и отрицательных ионов; q — заряд иона; n и А — константы.

Диссоциация молекул легче происходит в полярных жидкостях, чем в неполярных. Ввиду того, что энергия диссоциации полярных жидкостей значительно меньше, чем неполярных, их удельная проводимость существенно выше. Так, для сильно полярных жидкостей (дистиллированная вода, этиловый спирт) r = 10³ — 10⁵, для слабо полярных (касторовое масло) r = 10⁸ — 10¹⁰, для неполярных (бензол, трансформаторное масло) r > 10¹⁰ — 10¹³ Ом× м. В неполярных жидкостях молекулы основного вещества практически не диссоциируют на ионы, и их электропроводность обусловлена примесями, особенно полярных веществ.

В жидкостях с примесями иногда наблюдается молионная электропроводность, характерная для коллоидных систем, которые представляют собой тесную смесь двух веществ (фаз), причем одна фаза в виде мелких частиц равномерно взвешена в другой. Наиболее часто встречаются в электроизоляционной технике эмульсии и суспензии. Стабильность эмульсий и суспензий объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы электрических зарядов. Такие заряженные частицы дисперсной фазы и называют молионами. При наложении на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение, что выражается в виде электрофореза.

1.2.3. Электропроводность газов

Электропроводность газов обусловлена наличием в них некоторого количества заряженных частиц. В нормальных условиях число заряженных частиц в 1 м³ воздуха не превышает нескольких десятков миллионов.

Происхождение носителей заряда в газах объясняется различными факторами: радиоактивным излучением Земли; радиацией, проникающей из космического пространства; излучением Солнца; иногда тепловым движением молекул и т. п. При поглощении энергии бомбардирующей частицы молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион.

Заряженные ионы, так же как и окружающие их не имеющие электрического заряда молекулы газа, совершают беспорядочные тепловые движения, и вследствие диффузии происходит выравнивание концентрации ионов в газе. При встрече положительных и отрицательных ионов происходит их рекомбинация.

В стационарном случае, когда число ионов не изменяется с течением времени, между процессами генерации и рекомбинации устанавливается динамическое равновесие при котором число положительных ионов в газе равно числу отрицательных ионов N₊ = N_–, а число рекомбинирующих ионовпостоянно N_р = a N₊ N_–, где a — коэффициент рекомбинации ионов газа [м³/с].

При наложении внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы, преодолевая сопротивление трения газа, будут двигаться между электродами со скоростями u ₊ = m ₊E и u _– = m _–E, где m ₊ и m _– — подвижности положительного и отрицательного ионов.

Если напряженность поля Е очень мала, так что протекающий ток не меняет концентрации ионов в газе, плотность тока

. (1.11)

Принимая во внимание, что J = g Е, получаем выражение для удельной проводимости газа:

(1.12)

При малых значениях напряженности внешнего электрического поля, когда N_р, a , m ₊ и m _– можно считать постоянными, плотность тока в газе прямо пропорциональна напряженности приложенного поля, т. е. в этих условиях соблюдается закон Ома.

Однако при дальнейшем возрастании напряженности поля закон Ома не выполняется. В этом случае все ионы будут уходить на электроды не рекомбинируя. Так как число ионов в газе при малых полях ограничена и не зависит от напряжения, то дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока. Этот ток называют током насыщения. Значение плотности тока насыщения в газах не превышает 10^-16 — 10^-14 А/м².

При дальнейшем повышении Е до значений, близких к электрической прочности Е_пр, возникает возможность генерации заряженных частиц в электрическом поле из-за появления ударной ионизации. В предпробивных полях создаются условия для возникновения «лавин», и ток очень резко возрастает, пока при J = Е_пр не наступает пробой газа.

1.2.4. Поверхностная электропроводность диэлектриков

Поверхностная электропроводность диэлектриков создается благодаря неизбежному увлажнению, окислению, загрязнению и т. д. поверхностных слоев электрической изоляции. Поэтому диэлектрик характеризуется значением удельного поверхностного сопротивления R_S.

, (1.13)

где h — расстояние между параллельными друг другу кромками электродов, b — длина электродов.

У проводниковых материалов поверхностные токи исчезающе малы по сравнению с объемными, поэтому у этих материалов поверхностное сопротивление не учитывается. Не определяется поверхностное сопротивление и у жидких и газообразных диэлектриков. Не имеет смысла определение поверхностного сопротивления и у тонких слоев твердых диэлектриков так как в этом случае практически невозможно отделить поверхностные токи утечки от объемных.

Характер зависимости R_S диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины приложенного напряжения) сходен с характером изменения R. Однако при изменениях влажности окружающей среды значения R_S изменяются быстрее, чем значения R.

Рост поверхностной проводимости для растворимых диэлектриков объясняется наличием на их поверхности ионов, а для пористых — влаги. Кроме того, R_S падает при загрязнении поверхности диэлектрика.

Для повышения поверхностного сопротивления электроизоляционных изделий их покрывают влагостойкими гидрофобными веществами с большим значением R_S.