ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Электропроводность твердых диэлектриков

12 3 4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7

Определение электрической прочности твердых диэлектриков

Разработал преподаватель

В.В.Кальянов

Цели работы

1.1 Изучение физических основ явления пробоя твердых диэлектриков.

1.2 Экспериментальное определение электрической прочности твердых диэлектриков.

Материальное обеспечение

2.1 Методические указания по выполнению лабораторной работы.

2.2 Оборудование:

– установка АИИ-70;

– образцы твердых диэлектриков (электротехнический картон, гетинакс, текстолит).

Последовательность выполнения работы

3.1 Ознакомиться со схемой лабораторной установки, изучить устройство и принцип работы аппарата АИИ - 70.

3.2 До включения лабораторной установки в сеть выполнить следующее:

– проверить надежность заземляющего провода;

– подготовить образцы для испытаний согласно заданию (выдает преподаватель);

– определить микрометром толщину испытываемого образца;

– установить рукоятку регулировочного автотрансформатора TV1 в нулевое положение;

– поместить подготовительный образец между электродами так, чтобы края образца были на 20 - 30 мм больше электродов;

Включить лабораторную установку в сеть при помощи автоматического включателя QF1. С помощью регулировочного автотрансформатора TV 1 плавно изменять напряжение от нуля до пробивного напряжения. Время повышения напряжения до пробоя должно составлять около 10 с. В качестве пробивного напряжения фиксируют наибольшие показания вольтметра перед моментом пробоя. После пробоя рукоятку регулировочного автотрансформатора TV1 повернуть до предела против часовой стрелки, установить в нулевое положение и отключить установку.

3.3 Снять по описанной методике зависимость U_np от толщины образца (U_np=f(h)). Определение пробивного напряжения образца от толщины проводится на образцах из 2,4 и 6 слоев.

3.4 На каждом выданном образце произвести три пробоя и найти средний результат. Результаты испытаний занести в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты исследования электрической прочности твердых

диэлектриков в однородном электрическом поле

Кол-во слоев исследуемого образца	Исследуемый образец
Толщина слоя h, м	Напряжение пробоя	Электрическая прочность
U₁пр, В	U₂пр, В	U₃пр, В	Uср.пр, В	Е₁пр, В/м	Е₂пр, В/м	Е₃пр, В/м	Еср.пр, В/м

Электрическая прочность рассчитывается по формуле

, (1)

где Епр - электрическая прочность, В/м;

Uпр - пробивное напряжение, В;

h -толщина исследуемого диэлектрика, м.

3.5 Произвести определение пробивного напряжения от толщины образца Uпр = f(h) в неоднородном электрическом поле аналогично п.3.2-3.4. Результаты испытаний занести в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты исследования электрической прочности твердых

диэлектриков в неоднородном электрическом поле

Кол-во слоев исследуемого образца	Исследуемый образец
Толщина слоя h, м	Напряжение пробоя	Электрическая прочность
U₁пр, В	U₂пр, В	U₃пр, В	Uср.пр, В	Е₁пр, В/м	Е₂пр, В/м	Е₃пр, В/м	Еср.пр, В/м

3.6 Составить отчет.

Общие теоретические сведения

Электропроводность твердых диэлектриков

По своему назначению электроизоляционные материалы не должны под действием постоянного приложенного напряжения пропускать электрический ток (под действием переменного приложенного напряжения всякий диэлектрик пропускает переменный емкостной ток). Однако, любой твердый диэлектрик (картон, бумага, лак, эмаль, компаунд, полимер, стекло, керамика), используемый в электротехнике, содержит в своем составе некоторое количество различных примесей, и следовательно, в таком диэлектрике имеется несколько видов носителей зарядов: ионы основного веществ, ионы примесей, а иногда и свободные электроны, которые под воздействием электрического поля могут перемещаться. Поэтому, твердые диэлектрики на постоянном напряжении пропускают небольшой ток, называемый сквозным током или током проводимости.

Электропроводность твердого диэлектрика чаще всего носит ионный характер. Это связано с тем, что ширина запрещенной зоны в диэлектрике W>>kT. Поэтому оторваться от своих атомов за счет теплового движения может лишь небольшое количество электронов. Ионы же оказываются слабо связанными с узлами решетки, и энергия активации W, необходимая для их срыва, сравнима с kТ. И хотя подвижность ионов меньше, чем подвижность электронов, но за счет большей концентрации свободных ионов, ионная электропроводность оказывается преобладающей над электронной

, (2)

где , – подвижность ионов и электронов соответственно;

, – концентрация ионов и электронов соответственно;

, – заряд ионов и электронов соответственно.

Под действием света, радиации, небольшом нагреве сначала ионизируются содержащиеся в диэлектриках в небольших количествах примеси и дефекты. Такими примесями могут быть органические кислоты, щелочные оксиды, влага и другие загрязнения, молекулы которых распадаются на ионы. В этом случае ток проводимости представляет собой направленное перемещение свободных ионов, образующихся в результате диссоциации молекул примесей. Образовавшиеся таким образом ионы определяют низкотемпературную примесную область электропроводности твердого диэлектрика. При повышении температуры и при приложении к твердым диэлектрикам больших напряжений в них образуются собственные свободные ионы и электроны, которые создают ток проводимости.

Удельная электропроводность твердых диэлектриков с ростом температуры растет по экспоненциальному закону

(3)

При достижении некоторой температуры удельная электропроводность резко возрастает и наступает высокотемпературная собственная электропроводность. Рисунок 1 отображает эту зависимость/

Удельная проводимость складывается из собственной с энергией активации Wсоб и примесной с энергией активации Wпр.

, (4)

где A₁ и А₂ – коэффициенты, объединяющие в себе подвижность (μ) и концентрацию (n) свободных собственных и свободных примесных ионов соответственно;

W – ширина запрещенной зоны,

k – постоянная Больцмана,

Т – термодинамическая температура.

Рисунок 1 – Зависимость удельной электропроводности твердого диэлектрика от температуры

1 - низкотемпературная примесная область,

2 - высокотемпературная собственная область

Температура, при которой наблюдается излом зависимости log γ(l/T), сильно зависит от степени чистоты и совершенства кристалла. При увеличении содержания примесей и дефектов примесная удельная электропроводность растет и будет сдвигаться в сторону высоких температур.

Удельную электропроводность твердого диэлектрика характеризуют два параметра:

- удельная объемная электропроводность γ_v.

- удельная поверхностная электропроводность γ_s_.

Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением р. Для твердых диэлектриков ρ=10⁷-10¹⁸ Ом∙м.

Многие диэлектрики, используемые в электрической изоляции, являются гигроскопичными и величина удельного сопротивления сильно зависит от увлажнения. Чем сильнее увлажнение, тем меньшим удельным поверхностным сопротивлением обладает твердый диэлектрик. Для уменьшения удельной проводимости поверхности гигроскопичных электроизоляционных материалов покрывают гидрофобными (не смачиваемые водой) покрытиями - лаками, эмалями. Пористые электрокерамические материалы покрываются глазурью; пористые диэлектрики пропитываются жидкими или твердеющими компонентами, которые плохо увлажняются.

12 3 4