Описание лабораторных работ по ЭТМ

Лабораторная  работа № 1

            Электропроводность  изолирующих материалов. 

    Любой реальный диэлектрик под действием сил электрического поля проводит электрический ток, хотя его проводимость в нормальных условиях на десятки порядков меньше, чем проводимость проводниковых материалов.

    Природа проводимости диэлектриков также отличается от проводников, у которых электронная  проводимость. У диэлектриков же, в  основном ионная проводимость. Электронная  проводимость проявляется, в основном, в сильных электрических полях.

    Проводимость  диэлектриков обеспечивается некоторым  количеством свободных зарядов. Природа появления этих свободных  зарядов различна в зависимости  от агрегатного состояния материала   вследствие диссоциации собственных молекул или молекул полярных примесей. В газах свободные заряды возникают за счет ионизационных явлений под действием внешних ионизирующих факторов, таких как космические лучи, ультрафиолетовое излучение Солнца и др.

    Проводимость, вызванная движением свободных зарядов через толщу (объем) материала называется сквозной или объемной проводимостью.

    Твердые диэлектрики, помимо сквозной проводимости, характеризуются поверхностной  проводимостью. Поверхностная проводимость возникает вследствие осаждения  на диэлектрике влаги из атмосферного воздуха. Эта влага, невидимым слоем покрывающая поверхность диэлектрика, и проводит электрический ток.

    Поэтому для оценки истинной проводимости твердых  диэлектрических материалов необходимо учитывать обе составляющие проводимости – объемную и поверхностную.

    Для сравнительной оценки различных материалов используют удельное объемное сопротивление - r и удельное поверхностное сопротивление – r_S.

    Сопротивление диэлектрика протеканию сквозного (объемного) тока зависит от геометрических размеров образца материала и  от свойств этого материала. Эта зависимость выражается формулой:  

          [Ом]   
 
 
 
 
 

    где R – сопротивление образца;

           h – длина пути тока;

           S – площадь сечения, через которое протекает ток сквозной (объемной) проводимости;

         r - коэффициент пропорциональности.

    Если h выражено в /м/, S – в /м²/, R – в /0м/,  то   r    будет иметь размерность /0м×м/. Вообще   r  физического смысла не имеет, это просто коэффициент пропорциональности между геометрическими размерами образца диэлектрика и его сопротивлением. Но величина этого коэффициента зависит от свойств материала, из которого изготовлен образец, т.к. у одинаковых по геометрическим размерам образцов, изготовленных из различных материалов, сопротивление будет разное.

    Следовательно, величина  p является такой характеристикой, по которой можно сравнивать различные диэлектрики между собой.

    Искусственно  можно придать некоторый физический смысл величине r. Если  h = Iм,    S = Iм², то тогда r    будет численно равно R. Т.е. можно сказать, что r   - численно равно сопротивлению образца диэлектрика, имеющего вид куба с ребром  Iм.

    Сопротивление диэлектрика протеканию поверхностного тока (R_s) определяется следующей формулой.

    

                                 

    

где – длина пути поверхностного тока;

        в -  ширина этого пути

    r_s - коэффициент пропорциональности.

Если  = Iм, в= Iм, то p_s будет численно равно R_s.

      Для измерения поверхностной проводимости диэлектриков в лабораторной практике часто используется метод непосредственного отклонения.

      Сущность  его заключается в следующем:

Образец диэлектрика включается с помощью  электродов в цепь постоянного тока. При этом измеряется падение напряжения на образце "И" и ток проводимости "I" (объемный или поверхностный). Ток I измеряется непосредственно. В качестве измерителя тока используется магнитоэлектрический зеркальный гальванометр.

      Сопротивление находится по закону Ома: 

                        

Далее, зная геометрические размеры образца (длину пути тока, сечение, ширину пути тока), находят удельные сопротивления по формулам: 
 

                           или     

Откуда

                    или        
 

      Для работы используется так называемая трехэлектродная схема включения  образца, позволяющая раздельно  измерять объемную поверхностную проводимости.

      На  рисунке 1 показан образец с электродами.  

                 

    Рис. 1 

                      I – образец (пластинка твердого диэлектрика);

                      2 – нижний электрод;

                      3 – охранный электрод;

                      4 – внутренний  электрод. 
 
 

       На рисунке 2 показана принципиальная  схема измерения объемной проводимости.

       На рисунке 3 показана принципиальная  схема измерения поверхностной проводимости. 

     

    

                                  Рис.  2 

      

                                    Рис.3 
 

    Электроды на поверхность диэлектрика для  обеспечения хорошего контакта наклеиваются или наносятся путем распыления тонкого слоя металла в вакууме.

      Измерительная схема показана на рисунке  4.

      Шунт  предназначен для расширения пределов измерения гальванометра.

      Сопротивление R₀  предназначено для градуировки гальванометра и для ограничения тока в цепи гальванометра. 

                        Работа на установке. 

1.  Градуирование гальванометра (определение динамической постоянной по току Cd  /А/ дел/). 

1. Замкнуть  накоротко зажимы А и В с помощью проводника.
2. Включить питание выпрямителя и установить напряжение по вольтметру равное 100В.

 
 

 

                                    Рис.  4 

      Г – зеркальный гальванометр;

      N – универсальный шунт;

  А, В, С – зажимы для подключения образца;

         R₀ – образцовое и защитное сопротивление;

         К₁ – переключатель полярности напряжения;

         К₂ – переключатель для включения напряжения;

         К₃ – кнопка включения гальванометра;

         В  - выпрямитель;

        V  - вольтметр.  

3. Шунт поставить  в положение n = 10000
4. Включить освещение гальванометра.
5. Нажать кнопку К₃ и удерживая ее нажатом положении pафиксировать отклонение зайчика по шкале гальванометра (d₁).

При этом кнопка К₂ должна быть в положении " I ". 

1.6.Отпустить кнопку К_{3 ,} ключом К₁° поменять полярность и повторить пункт 1.5. (получить d₂) _.

Примечание:

1. Если отклонение светового зайчика меньше 20 мм, то шунт поставить в следующее положение.
2. При измерений на шунтовых  числах 10 000 и 1000 при замыкании кнопки К₃ ранее установленное напряжение снижается из-за большего потребления схемы. Поэтому необходимо в этом случае устанавливать заданное напряжение при нажатой кнопке К₃..
3. Измерение удельного объемного сопротивления материала во влажном и воздушно-сухом состоянии .

2.1 Подключить  образец материала в воздушно-сухом   состоянии с помощью электродов  к зажимам А,В,С. При этом  в соответствии с рисунком 2 электрод 4 подсоединяем к точке В. Электрод 3 – к точке С, Электрод 2- к  точке А. 

2.2. Установить  универсальный шунт в положение n=10000.

2.3. Установить  напряжение 100 В.

2.4. Произвести  отсчет отклонения аналогично  п.п. 1.5;1.6.

2.5.Взять  образец материала во влажном  состоянии из эксикатора и  повторить измерения п.п.2.1-2.4. 

3. Измерения  удельного поверхностного сопротивления материала в воздушно-сухом и влажном состоянии. 

1. Произвести  подключение в соответствии с  рисунками 1 и 3.
2. Повторить п.п.2.2-2.5

  

Расчетные формулы

1.Формула  расчета удельного объемного  сопротивления 

       [Ом·см]

2.Формула  расчета удельного поверхностного  сопротивления 

  [Ом] 
 
 

Контрольные вопросы 

1. Дайте объяснение сущности метода непосредственного  отклонения для измерения проводимости.
2. Покажите путь измеряемого тока в образце при определении r и  r_s .
3. Какова природа проводимости диэлектриков?
4. Почему возникает поверхностная проводимость?
5. Как влияет влажность на поверхностное сопротивление различных диэлектриков?
6. Как влияет влажность на сквозную проводимость различных диэлектриков?
7. Для чего в схеме предусмотрено образцовое и защитное сопротивление?
8. Почему измерение проводимости диэлектриков проводится при постоянном напряжении?
9. Для чего предназначен шунт в измерительной схеме?

 

Таблица результатов измерения и расчетов