Саратовский государственный технический университет
Имени Гагарина Ю.А.
Определение удельного объемного и поверхностного
сопротивления твердых диэлектриков
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсу «Электротехническое и конструкционное материаловедение»
для студентов дневной формы обучения направления подготовки
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»
Саратов – 2015
Цель работы:
1. Освоить методику определения удельного объемного и удельного поверхностного сопротивления плоских твердых диэлектриков.
2. Установить зависимость удельного объемного и удельного поверхностного сопротивления испытуемого материала от величины приложенного напряжения.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Все диэлектрические материалы имеют молекулярное или ионное строение. Суммарный заряд всех отрицательно и положительно заряженных частиц, образующих диэлектрик, равен нулю.
Идеальный диэлектрик состоит только из связанных (между собой) заряженных частиц, (свободных зарядов в нем нет). Поэтому электропроводность в идеальном диэлектрике отсутствует. Под действием приложенного электрического поля все связанные заряженные частицы диэлектрика упорядоченно смещаются из своих равновесных состояний только на ограниченные расстояния, а диполи ориентируются по полю; в результате диэлектрик поляризуется — в нем возникает электрический дипольный момент.
Способность диэлектриков поляризоваться под действием приложенного электрического поля является их фундаментальным свойством.
В реальных диэлектриках, используемых в технике, в результате дефектов строения и присутствия ионогенной примеси, кроме связанных заряженных частиц, имеются еще и свободные заряженные частицы (свободные заряды), которые не связаны с определенными молекулами или атомами и поэтому не имеют постоянных равновесных положений. Под действием приложенного электрического поля они направленно перемещаются (дрейфуют) в диэлектрике на относительнобольшие расстояния. Подходя к электродам, свободные заряженные частицы разряжаются на них, обусловливая электрический ток. Поскольку содержание свободных зарядов в диэлектриках ничтожно мало, их электропроводность очень низкая (в 1011—1026 раз меньше чем у проводников). Таким образом, в реальных диэлектриках под д ействием внешнего электрического поля имеет место как поляризация, так и электропроводность.
Диэлектрики, используемые в технике, обладают электропроводностью, и их удельное сопротивление составляет величину, лежащую в пределах от 106 до 1017 Ом·м и выше.
Электропроводность диэлектриков зависит от их химического состава и строения, типа и концентрации дефектов и ионогенной примеси, а также интенсивности воздействия внешнего ионизирующего излучения, напряженности электрического поля, температуры, влажности, давления и т.п.
Диэлектрики на постоянном напряжении пропускают некоторый незначительный ток, который называют током утечки.
Постоянная составляющая этого тока называется сквозным током диэлектрика Iск, а убывающая со временем - абсорбционными токами Iаб, обусловленными замедленными видами поляризации.
Сквозной ток диэлектрика может быть представлен, в свою очередь, в виде двух составляющих поверхностного тока Is т.е. тока, протекающего по тонкому электропроводящему слою влаги с растворенными в ней веществами, образовавшимися вследствие соприкосновения образца с окружающей средой и объемного тока Iv, т.е. тока, протекающего через объем материала.
Для сравнительной оценки величин токов объемной и поверхностной проводимостей пользуются значениями объемного сопротивления Rv=U/Iv и поверхностного сопротивления Rs=U/Is (величины обратные объемной проводимости и поверхностной проводимости соответственно).
Полное сопротивление изоляции диэлектрика складывается как результирующая двух параллельно включенных сопротивлений:
Объемное и поверхностное сопротивления зависят как от материала диэлектрика, так и от его геометрических размеров.
Для сопоставления свойств различных материалов более удобными являются удельные величины объемного и поверхностного сопротивлений диэлектриков.
Удельное объемное сопротивление ρv равно объемному сопротивлению куба с ребром 1 м, мысленно вырезанного из исследуемого материала (при условии, что ток проходит сквозь куб от одной его грани к противоположной), умноженному на 1 м. Единица измерения удельного объемного сопротивления в системе CU - Ом·м.
Под удельным поверхностным сопротивлением ρs понимают поверхностное сопротивление плоского участка поверхности твердого диэлектрика в форме квадрата (любых размеров) при протекании электрического тока между двумя противоположными сторонами этого квадрата. Единица измерения удельного поверхностного сопротивления в системе CU - Ом.
Для определения удельного объемного и поверхностного сопротивлений диэлектрика используют трёхэлектродную схему их включения в измерительную схему. Металлические нажимные электроды представляют систему из трех электродов: измерительного, высоковольтного (токозадающего) и охранного кольца (рис.1).
Рис.1. Система электродов для определения удельного объемного ρv и удельного поверхностного ρs сопротивлений диэлектрика: 1- измерительный электрод; 2 – «кольцевой» электрод, используемый как заземляющий при определении ρv и как высоковольтный при определении ρs; 3 – электрод: высоковольтный при определении ρv и заземляющий при определении ρs; 4 – образец
 |
Напряжение прикладывается между измерительным электродом и токозадающим и измеряется ток в их цепи, а охранный электрод служит для уменьшения краевых эффектов и он заземляется. В зависимости от измеряемой величины одни и те же электроды могут выполнять различные функции: при измерении ρv: А – измерительный, С –токозадающий, В – охранный (рис. 2 а), а при измерении ρs: А – измерительный, С – охранный, В – токозадающий (рис. 2 б).
При измерении удельных сопротивлений используются источники постоянного напряжения, измерение тока осуществляют магнитоэлектрическим гальванометром.
Ток от источника питания пропускается сквозь толщу образца между нижним токозадающим дисковым электродом С и верхним измерительным дисковым электродом А и измеряется гальванометром, снабженным шунтом для расширения пределов измерения тока.
Ток через гальванометр определяется по формуле
,
где 
– отклонение метки гальванометра, мм шкалы; 
– постоянная гальванометра по току, А/мм.
Ток в испытуемом образце будет в п раз больше
,
где п – шунтовое число.
При работе данной схемы поверхностный ток с электрода С не попадает на электрод А, а собирается кольцевым электродом В, выполняющим роль охранного кольца, и отводится на землю, минуя гальванометр. Кроме того, охранный электрод, имея практически тот же потенциал, что и измерительный электрод, способствует устранению краевого эффекта у электрода В и тем самым созданию практически однородного электрического поля в образце между электродами А и С.
Значение объемного сопротивления образца
.
Удельное объемное сопротивление 
плоского образца определяется по формуле
,
где S – площадь измерительного электрода А, м2;
h – толщина образца диэлектрика Д, м.
Выражая S через диаметр электрода, получаем формулу для определения удельного объемного сопротивления испытуемого образца
, Ом·м.
Согласно схеме (рис.2 б) при измерении удельного поверхностного сопротивления гальванометр измеряет поверхностный ток в кольцевом зазоре между электродами А и В, а объемный ток утечки отводится электродом С на землю, минуя гальванометр.
Поверхностное сопротивление диэлектрика определяется
, Ом. (1)
Учитывая соотношение удельного поверхностного сопротивления плоского образца
, (2)
где q – расстояние между токозадающим и измерительным электродом, м; 
– внутренний диаметр токозадающего электрода, получаем формулу для определения удельного поверхностного сопротивления испытуемого образца
. (3)
Электроды для испытаний твердых диэлектриков должны удовлетворять следующим требованиям: обладать высокой проводимостью и обеспечивать хороший электрический контакт по всей поверхности соприкосновения с образцом без воздушных прослоек между ними; не влиять на испытуемый образец, не изменять свою форму и размеры, не претерпевать какие-либо физические или химические изменения; быть удобными при испытаниях.
Для предупреждения возникновения больших токов при пробое образца диэлектрика в схему включено защитное сопротивление Rэ величиной не менее 1 МОм.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальная установка
Установка питается однополупериодным высоковольтным выпрямителем, состоящим из высоковольтного трансформатора Т, полупроводникового диода Д, конденсатора С для сглаживания пульсаций напряжений на образце и автотрансформатора (ЛАТР) для регулирования высокого напряжения (рис.3.). На электрической схеме установки обозначены: А – автомат АП-50, К – магнитный пускатель, Кл – линейные контакты пускателя, Кд – блок-контакты двери, Кб – блок-контакт кнопки пуск, Кс – контакты, закорачивающие конденсатор С в промежутке между измерениями, Лк – сигнальная лампа красного цвета, указывающая наличие напряжения на испытательном стенде, Лп – лампа подсветки гальванометра, В – клемма наконечника высоковольтного провода, подключенного к источнику высокого напряжения, Г – наконечник с проводом, соединенный с шунтом гальванометра, З – наконечник с заземленным проводом, Rш – шунтовое сопротивление с шунтовым коэффициентом п от 1 до 100, G – гальванометр магнитоэлектрический с известной постоянной по току С1, кV – киловольтметр электротехнический С-96.