ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ ПРИ ПОСТОЯННОМ НАПРЯЖЕНИИ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Материалы и элементы электронной техники
Методические указания к лабораторным работам для студентов всех форм обучения всех специальностей физикотехнического
факультета
Екатеринбург 2004
УДК 621.315.5/6
Составители С.Ю.Кропотухин, ст.преп., В.В.Рудный, к.т.н., доц.
Научный редактор А.Т.Пластун, д.т.н., проф.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. Материалы и элементы электронной техники: Методические указания к лабораторным работам / С.Ю.Кропотухин, В.В.Рудный, часть 2, 2004, 32 с.
Методические указания, выполненные в двух частях раскрывают цели и содержание каждой лабораторной работы, дают методику их выполнения и порядок обработки и оформления полученных результатов. В первой части, содержащей 4 лабораторные работы, исследуются свойства и особенности газообразных диэлектриков, а также изучается метод определения величины диэлектрических потерь в изоляционных конструкциях. Во второй части, содержащей также 4 лабораторных работы, изучаются методы испытаний жидких и твердых диэлектриков, а также магнитных материалов.
Библиогр.: 4 назв. Рис.9. Табл. 8.
Подготовлено кафедрой
“Техника высоких напряжений”.
ã ГОУ ВПО Уральский Государственный
технический университет-УПИ, 2004
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5
УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ ПРИ ПОСТОЯННОМ НАПРЯЖЕНИИ
Цель работы - изучить методы экспериментального определения удельных объемного и поверхностного электрических сопротивлений диэлектриков.
Электропроводность твердых тел обусловливается как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электров.
Электронная электропроводность наиболее заметна при сильных электрических полях. Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества на электроды. При электронной электропроводности это явление не наблюдается.
В процессе прохождения электрического тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примесей могут частично удаляться, выделяясь на электродах; это приводит к уменьшению электропроводности с течением времени и к соответствующему спаданию тока.
В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена перемещение ионов, вырываемых из решетки под влиянием флуктуаций теплового движения. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы, в частности ионы примесей. При высоких температурах движутся основные ионы кристаллической решетки. Собственная электропроводность твердых тел и зависимость ее от температуры определяются структурой вещества и его составом. В телах кристаллического строения с ионной решеткой электропроводность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одновалентными ионами обладают большей электропроводностью, чем кристаллы с многовалентными ионами. Так, для кристалла Al2O3 .
В некоторых кристаллах электропроводность неодинакова по разным осям кристалла. Так, в кварце электропроводность в направлении, параллельном главной оси, примерно в 1000 раз больше, чем в направлении, перпендикулярном этой оси.
В кристаллических телах с молекулярной решеткой электропроводность мала и определяется только примесями.
Твердые пористые диэлектрики при наличии в них влаги, даже в ничтожных количествах, резко увеличивают свою электропроводность. Высушивание материалов повышает их электрическое сопротивление, но при нахождении высушенных материалов во влажной среде величина сопротивления вновь уменьшается.
Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков обусловлена присутствием влаги на его поверхности. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная электропроводность, определяемая в основном толщиной этого слоя. Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Поэтому величина относительной влажности является решающим фактором, определяющим значение поверхностной электропроводности диэлектрика. Особенно резкое уменьшение поверхностного сопротивления обычно наблюдается при значениях относительной влажности, превышающих 50%. Поверхностная электропроводность тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована.
Постоянный ток, протекающий через диэлектрик, обуславливается свободными ионами самого диэлектрика и ионами примесей (воды, кислот и др.), находящихся в диэлектрике. Ток, создаваемый свободными электронами, относительно мал. Общий ток, создаваемый свободными зарядами, называется сквозным. Кроме сквозного тока в диэлектрике протекает также ток абсорбции, обусловленный смещением связанных зарядов при релаксационной поляризации. Таким образом, ток через диэлектрик можно представить как сумму сквозного тока и тока абсорбции.
При постоянном напряжении ток абсорбции протекает только в момент включения и выключения до установления равновесного состояния. Этот отрезок времени занимает 40 - 60 секунд. Временная зависимость тока через диэлектрик показана на рис.1.
В связи с вышеизложенным при определении rv и rs ток через диэлектрик должен измеряться через 60 секунд после подачи напряжения. В данной лабораторной работе измерение удельных электрических сопротивлений твердых диэлектриков производится методом “ вольтметра - амперметра “. Ток протекает как по толщине диэлектрика, так и по его поверхности, которая может быть влажной или загрязненной. У диэлектрика различают объемную и поверхностную электропроводность. Электропроводность и обратная ей величина - электрическое сопротивление - являются характеристиками, определяющими качество электроизоляционного материала. Для оценки электрического сопротивления изоляционных материалов введены понятия удельного объемного rv и удельного поверхностного rs сопротивлений.
При условии, что ток проходит через две противоположные грани куба, rv численно равно сопротивлению куба с ребром в 1 см; rs численно равно сопротивлению квадратного участка поверхности диэлектрика любых размеров, если ток проходит перпендикулярно стороне квадрата. Определение rv и rs проводят на плоских образцах (рис.2). Сторона квадрата или диаметр круга изменяется от 25 до 100 мм. Размеры испытуемых образцов задаются ГОСТ 6433-71.
Необходимо отметить некоторую условность понятия поверхностного сопротивления диэлектрика, установленного действующим ГОСТ 6433-71.
Слоистые пластики
а) Листовые пластики
Для разных марок гетинакса применяют разные связующие фенол- и крезолоформальдегидные, анилинфенолформальдегидные и эпоксиднофенольные. Поверхность гетинакса и текстолитов новая и гладкая, но при воздействии электрических разрядов на ней образуются проводящие мостики. Плотность гетинакса всех марок 1300-1450 кг/м3. Предел прочности при статическом изгибе 75-140 МПа; предел прочности при растяжении 80-120 МПа. Стойкость к кратковременному нагреванию находится в пределах 115-160 оС. Рабочая температура гетинакса -65 до +105 оС.
Асбогетинакс – материал из асбестовой бумаги – изготовляется двух типов: на эпоксиднофенольной смоле для рабочих температур от -60о до +150оС и на кремнийорганической смоле с введенным пигментом для рабочей температуры от -60о до 250оС.
Электротехнический тестолит-слоистый пластик на основе хлопчатобумажной ткани. Для пропитки используется фенол (крезол) формальдегидное связующее. Он выпускается 4 марок: марки А (применяется для работы в трансформаторном масле и на воздухе при частоте 50 Гц, повышен. электр.свойства), марки Г (тоже, что и А, но имеет новые повышенные допуски по толщине и короблению.
Стеклотекстолиты марок СТ, СТ-Б, СТ-1, изготавливают на основе стеклотканей на фенолформальдегидном связующем. Общий диапазон номинальных толщин 0,5-30 мм. Их плотность 1600-1900 кг/м3.
б) Намотанные изделия.
Намотанные изделия на бумажной основе изготовляют из специальной намоточной бумаги со следующими связующими: фенолформальдегидным, крезолоформальдегидным и эпоксиднофенольным. Изделия называются бумажно-бакелитовыми трубками при внутреннем диаметре до 80 мм и бумажно-бакелитовыми цилиндрами при внутреннем диаметре от 85 мм и выше. Они имеют повышенную влагопоглощаемость по сравнению с гетинаксом. Предназначены для работы при температурах -40оС до +105 оС в трансформаторном масле и в воздухе.
в) Изделия сложной формы (фасонные изделии), типичным представителем являются текстолитовые стержни. Стержни имеют хорошие механические параметры и хорошо поддаются обработке резанием, благодаря чему применяются как конструкционно-изоляционный материал. Предназначен для работы в масле и на воздухе при температуре от -65оС до +105 оС и нормальной влажности.
г) Фольгированные слоистые пластики.
Для изготовления печатных плат, используемых в электронике, в низковольтном аппарато и приборостроении, а также для якорей электродвигателей малой мощности применяются фольгированные гетинакс и стеклотекстолит. Фольгированный гетинакс имеет толщину от 1,0 до 3,0 мм, от 0,5 до 3,0 – стеклотекстолит.
Определяется rs свойством диэлектрика абсорбировать на своей поверхности влагу и загрязнения, но также зависит от состояния поверхности и от свойств окружающий диэлектрик среды. На гладкой поверхности диэлектрика абсорбируется меньше влаги и загрязняющих веществ, чем на шероховатой, следовательно, у материала, имеющего гладкую поверхность, rs будет больше, чем у материалов с шероховатой поверхностью. Если в среде, окружающей диэлект-рик, содержится большое количество загрязняющих веществ, то они в большем количестве отлагаются на поверхности диэлектрика и rs будет ниже, т.е. для одного и того же материала rs меняется в зависимости от окружающей среды. Величины удельных сопротивлений как объемного, так и поверхностного зависят от температуры диэлектрика, величины и длительности приложенного напряжения. По существующему стандарту замер удельных сопротивлений твердых диэлектриков производится спустя 60 сек. после включения напряжения при t = 20±5°C и относительной влажности d = 65 ± 5%. В справочниках даются значения удельных сопротивлений твердых диэлектриков, измеренные в соответствии с изложенными требованиями.
Электроды, применяемые при испытании, должны обладать высокой
электропроводностью и обеспечивать хороший контакт по всей поверхности соприкосновения с образцом.