Определение удельных сопротивлений твёрдых диэлектриков.

Цель работы

1. Освоить на практике методы измерения объёмного и поверхностного сопротивлений твёрдых диэлектриков.

2. Получить практические навыки определения удельного объёмного и удельного поверхностного сопротивлений твёрдых диэлектриков.

Оборудование:

1. стандартный измерительный прибор тераомметр Е6-13А;

2. специальная оснастка;

3. штангенциркуль;

4. образцы диэлектриков.

Общие указания

В работе используется практическая установка для измерений каждого из сопротивлений диэлектриков, позволяющая исключить влияние другого сопротивления, т.е. измеряется только объёмное и только поверхностное сопротивления.

При выполнении работы необходимо руководствоваться общими правилами техники безопасности при работах в лаборатории.

Прежде чем поместить исследуемый объект в измерительную камеру, перед проведением измерений необходимо отключить колодку оснастки от прибора, т.к. напряжение между электродами может достигать 100В.

Краткие теоретические сведения

Для выполнения задания необходимо повторить материал соответствующей лекции.

Чистые диэлектрики не должны проводить электрического тока в силу своего внутреннего химического строения, т.к. в них отсутствуют свободные электрические заряды. Электроизоляционные материалы, применяемые в радиоэлектронике, не являются совершенными с точки зрения электропроводности. Если приложить к диэлектрику постоянное напряжение, то возникнет электрический ток, протекающий сквозь толщу диэлектрика i или сквозной ток, и ток , протекающий по его поверхности i - поверхностный ток. Тогда общий ток диэлектрика определяется суммой этих токов:

i =i +i

Ток, протекающий сквозь толщу диэлектрика, изменяется согласно графику (рисунок 1) и состоит из двух составляющих: одного значительного по величине в начальный момент , а затем быстро спадающего до нуля тока абсорбции i и, второго, небольшого по величине, постоянного, не изменяющегося со временем – сквозного тока i т.е.

i =i +i =i

Рис. 1

Появление тока абсорбции (смещения) вызвано процессами релаксационной поляризации диэлектрика.

Сквозной ток i обусловлен наличием в диэлектриках малого количества свободных зарядов и вызван мгновенными процессами поляризации.

За величину сквозного тока в диэлектрике принимают ток, установившийся в цепи через некоторое время после включения напряжения.

Сопротивление изоляции рассчитывается по формуле:

R = ,

где Rv – объёмное сопротивление диэлектрика;

Rs – поверхностное сопротивление.

Для сравнительной оценки различных материалов в отношении их объёмной и поверхностной электропроводностей чаще всего используется понятие удельного объёмного сопротивления ρ и удельного поверхностного сопротивления .

Удельное объёмное сопротивление численно равно сопротивлению куба, мысленно вырезанного из исследуемого материала, если ток проходит через две противоположенные грани этого куба, таким образом:

ρ =Rv [Ом·м],

где S – площадь электрода, м ;

h – толщина диэлектрика, м.

Если электроды круглые, то формула принимает вид:

ρ =Rv , (1)

где d₁ – диаметр электрода м (рисунок 2).

В системе СИ ρ определяют для куба с ребром 1 м, при этом 1 Омм=100 Омсм.

Рис. 2

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата, мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через две противоположные стороны этого квадрата, таким образом:

=Rs [Ом],

где d – ширина электрода, см;

- расстояние между электродами, см.

Если в приборе применён круглый или кольцевой электроды (рисунок 2), то формула принимает вид:

=Rs [Ом]. (2)

Порядок выполнения работы

Устройство для измерения объёмных и поверхностных сопротивлений твёрдых диэлектриков состоит из тераомметра Е6-13А и оснастки, представляющего собой три электрода d₁, d₂, d₃, помещённые в измерительную камеру. Подключая в соответствии с рисунками 3 и 4 электроды к клеммам (“Э”,”Rx”,”Л”) тераомметра, можно измерить объёмное и поверхностное сопротивления диэлектриков (“Э” – земляной электрод; “Rx” – измеряемый электрод, для определения искомого Rs и Rv).

а) измерение Rv

Рис. 3

б) измерение Rs

Рис. 4

1. Включить прибор и дать ему прогреться в течении 15 минут.

2. Убедившись, что колодка оснастки отключена от прибора, вставить образец между электродами d₁, d₂ и d₃.

3. Измерить сопротивления Rv и Rs и результаты измерений занести в таблицу 1.

4. Замерив размеры электродов, необходимые для расчётов, и толщину образца, рассчитать удельное объёмное и удельное поверхностные сопротивления по формулам (1) и (2).

5. Отключив колодку от прибора, вставить другой образец и провести аналогичные измерения.

6. Данные измерения и результаты расчётов занести в таблицу 3.

Таблица 3

№	Материал	h,см	d1,см	d2,см	Rv,Ом	,Ом·см	Rs,Ом	,Ом·см	Примеч.

Содержание отчета

1. Отчёт выполняется по установленной форме.

2. В выводах провести сравнение образцов диэлектриков по электропроводности и по электроизоляционным свойствам.

Контрольные вопросы

1. Что относится к основным параметрам диэлектрика?

2. Какие токи протекают через диэлектрик и какова физическая природа этих токов?

3. Как зависит ток в диэлектрике от времени воздействия постоянного электрического поля?

4. Почему сопротивление диэлектриков принято определять при постоянном напряжении и не раньше чем через 1 минуту после включения напряжения?

5. Что называется удельным объёмным и удельным поверхностным сопротивлениями, и в каких единицах они измеряются?

Лабораторная работа №3

Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери

Цель работы:

1. Ознакомиться на практике с методами измерения ёмкостей и добротности колебательных контуров, в которые входят конденсаторы с различными диэлектриками.

2. Освоить на практике методы измерения в диапазоне частот.

3. Получить практические навыки определения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь.

4. Освоить методику построения графиков зависимости ε(у) и tg(v).

Оборудование:

1. измеритель добротности типа Е4-7;

2. оснастка;

3. образцы диэлектриков.

Общие указания

При выполнении измерений необходимо строго руководствоваться правилами техники безопасности при работе с электроустановками в лаборатории.

Краткие теоретические сведения

Повторить материалы соответствующей лекции.

К основным параметрам относятся:

- диэлектрическая проницаемость;

и - удельное объёмное и удельное поверхностное сопротивления;

tg - тангенс угла диэлектрических потерь;

Епр – напряженность пробоя диэлектрика.

Важнейшими электрическими характеристиками диэлектрика являются диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь tg ,характеризующий диэлектрические потери.

Диэлектрическая проницаемость – это количественная характеристика процесса поляризации. Поляризация диэлектрика заключается в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов, что приводит к возникновению в диэлектрике внутреннего электрического поля, направленного противоположно внешнему.

Практически значение диэлектрической проницаемости находят определяя, на сколько ёмкость конденсатора увеличилась в результате замены вакуума или воздуха между его пластинами данным материалом:

;

где С – ёмкость конденсатора с данным диэлектриком;

Со - ёмкость конденсатора с вакуумным или воздушным (эталонный) диэлектриком.

Диэлектрическими потерями называют часть электрической энергии, которая теряется в диэлектрике под воздействием приложенного напряжения, превращаясь в тепло.

При переменном напряжении существенную роль в образовании диэлектрических потерь играет, помимо потерь, вызванных явлением сквозной электропроводности, ещё и затраты электрической энергии на установление поляризации. Потери в диэлектрике при переменном синусоидальном напряжении определяются по формуле:

P=UωCtg (Bт),

где U – напряжение, В;

ω – угловая частота, ;

С - ёмкость конденсатора с данным диэлектриком, Ф;

tg - тангенс угла диэлектрических потерь.

Диэлектрик с учётом потерь можно представить идеальным конденсатором с параллельно включенным активным сопротивлением (параллельная схема рисунок 5), либо конденсатором с последовательным сопротивлением (последовательная схема рисунок 6):

Рис. 5

Рис. 6

Тогда tgδ – угол диэлектрических потерь можно представить в векторной диаграмме токов в диэлектрике (рисунок 7)

tgδ= = ,

где iскв – электрический ток, вызванный явлением сквозной электропроводности;

iабс – ток, вызванный поляризацией;

iобщ – общий ток, возникший в диэлектрике;

Q – добротность изоляции.

δ

i_общ

Рис.7

Наибольшее распространение для определения ε и tg используется метод, основанный на измерении ёмкости колебательного контура измерителя добротности при параллельном подключении к нему конденсатора, образованного обкладками и диэлектриком из исследуемого материала.

Рис. 8

Упрощённая эквивалентная схема колебательного контура измерителя добротности приведена на рисунке 8. Lк и Ск образуют резонансный контур измерителя добротности, а Сх и Rх – ёмкость и сопротивление потерь конденсатора с исследуемом диэлектриком.

При измерении диэлектрической проницаемости диэлектрик помещается между обкладками разборного конденсатора Сх.

Если при установленной частоте резонанс наступал при значении Ск=С1, то после присоединения конденсатора Сх при значении Сх=С2 меньше на величину Сх, тогда

С2=С1-Сх (1)

одновременно уменьшается и добротность контура за счёт потерь, вносимых Сх, с величины Q1 до Q2.

Окончательные выражения для ε и tg для данной схемы измерения имеют вид:

tg = · (2)

ε= (3)

где h – толщина диэлектрика, см;

d – диаметр электродов, см;

C1иQ1 – ёмкость и добротность изоляции конденсатора с эталонным диэлектриком ;

С2 иQ2 - ёмкость и добротность изоляции конденсатора с твёрдым исследуемом диэлектриком.

Порядок выполнения работы

1. Подготовить прибор Е4-7 к работе, для чего переключатель рода работ поставить в положение «измерение», ручку «установка уровня» - в крайнее левое положение. Включить прибор в сеть, тумблер питания поставить в положение «ВКЛ», при этом загорается сигнальная лампа, дать прибору прогреться 10 минут.

2. Выбрать катушку индуктивности на нужный диапазон частот, указанный преподавателем. Ручку «переключатель диапазонов» установить на соответствующий диапазон, ручку «частота» поставить в положение, указанное на корпусе катушки индуктивности. Ручкой измерительного конденсатора поставить минимальное значение ёмкости по шкале измерительного конденсатора.

Переключатель «Q» поставить в положение «300», перевести переключатель рода работ в положение «калибровка», переключатель « Q-Q» в « Q». Ручкой « Q» выставить стрелку измерительного прибора на «0» (положение по нижней шкале прибора). Перевести переключатель « Q-Q» в положение «Q». Ручкой Q установить стрелку прибора на красную риску. Переключатель рода работ перевести в положение «измерение». Теперь прибор будет измерять истинное значение добротности измеряемого контура. Проверку калибровки надо проводить периодически, особенно при переключении диапазонов измерения Q.

3. Измерить добротность и ёмкость эталонного контура. Настройку в резонанс контролируют по максимальному отклонению стрелки измерительного прибора. Записать значения Q1 и С1. Если не изменять частоту генератора прибора Е4-7, то значения Q1 и С1 останутся такими же при всех прочих измерениях.

4. Присоединить к клемме колодки конденсатор С2 с образцом диэлектрика. Образец находится вместе с обкладками в термошкафе. Повторить процесс настройки контура в резонансе на прежней частоте, отмечая полученные при этом значения Q2 и С2.

5. По формулам (1), (2) и (3) рассчитать ε и tg для всех образцов диэлектриков и результаты записать в таблицу 4.

Таблица 4

№

Материал

Диаметр электродов; dсм

Толщина образца; hсм

Измеренные величины

Вычисленные величины

Частота; кГц

Q1

Q2

C1

C2

Cx

ε

tg

1

2

3

Содержание отчёта

1.Отчёт выполняется по установленной форме.

2.Вычертить графики ε(v) и tg(v) для исследуемых диэлектриков (по 3 кривых на каждом графике).

3.В выводах по работе провести сравнительный анализ диэлектриков по электрическим и диэлектрическим свойствам.

Контрольные вопросы

1.Какие основные параметры характеризуют диэлектрики и каков их физический смысл?

2.В чём состоит сущность явления поляризации диэлектриков?

3.Как количественно оценивается поляризация диэлектриков?

4.Перечислить и охарактеризовать виды поляризации?

5.Как зависит ε от t и v электрического поля?

6.Что характеризует tg ?