Лабораторно упражнение №1

1 Цел на упражнението

Запознаване на студентите с характерните особеностти на електропроводимостта на твърди диелектрици и зависимостта на специфичното обемно съпротивление на твърдите диелектрици от температурата.

2 Теоретична обосновка

  Диелектриците са електротехнически материали които възпрепятстват протичането на електрически ток там където това е вредно за съоражението или опасно за хората!

2.1 Токове през диелектрика

В реалните диелектрици съществуват макар и малко свободни електрически заряди. Това са основно йони на примесите и йони на основния материал. При прилагане на постоянно напрежение, тези свободни носители обуславят протичането на следните три тока:

- ток на зареждане на капацитета на кондензатор;

- ток на абсорбция - породен от релаксационни поляризации;

- ток на проводимост - определящ се от концентрацията и подвижността на свободните носители на заряд;

Фиг.1.

2.2 Видове проводимости и съпротивления при диелектриците

   Особеност за твърдите диелектрици е, че при прилагане на напрежение, ток протича през повърхността и през обема им. Това определя протичането на ток през обема на диелектрика I_v и ток през повърхността на диелектрика I_s - който има много по-малка стойност отколкото тока през обема на диелектрика.

Фиг.2.

   Поради това при изучаване на електропроводимостта на диелектриците освен обемния ток трябва да се отчита и повърхностният ток, при получаване на общия ток през диелектрика I=I_v + I_s .

   Следователно общата проводимост на диелектрика G се определя от обемната и повърхностната проводимост :  

G=G_v + G_s

    Величините, реципрочни на указаните проводимости се наричат съпротивления - обемно R_v = 1/G_v   и повърхностни съпротивления R_s = 1/G_s . Общото съпротивление на диелектрика се определя като резултат от две паралелно включени съпротивления:

   За сравняване на различните диелектрици, относно електропроводимостта им се въвеждат специфична обемна и повърхностна проводимост γ_v, γ_s и съответно специфично повърхностно и обемно съпротивление ρ_s, ρ_v .

     Специфичното обемно съпротивление на плосък образец се определя с израза:

    където:

       R_v - обемно съпротивление на образеца, Ω;

       S - площ на електродите, m²;

       h - дебелина на диелектрика, m;

     Специфичното повърхностно съпротивление се определя с израза:

    където:

    R_s - повърхностно съпротивление, Ω;

     b - дължина на електродите, m;

     h - разстояние между електродите, m;

2.3 Зависимост на специфичното обемно съпротивление на твърдите диелектрици от температурата

 Специфичното обемно съпротивление на електроизолационните материали намалява с повишаване на температурата. За твърдите диелектрици това се обяснява главно с увеличаване на броя на свободните йони.

       Зависимостта на специфичното обемно съпротивление от температурата се дава с израза:

ρ_vt = ρ_vo.e^-αt ,

        където:

   ρ_vt - специфично обемно съпротивление на материала при дадена температура;

   ρ_vo - специфично обемно съпротивление при температура t = 20 ^oC;

     α - температурен коефициент на специфично обемно съпротивление;

3 Опитна постановка

Фиг3. Схема на опитна постановка

И - измервателен електрод;

В - високоволтов електрод;

З - заземителен електрод;

К - превключвател;

Г - галванометър;

R_o - еталонно съпротивление;

R_ш - шунтово съпротивление;

3.1 Принцип на действие на схема на опитна постановка

    За измерване на специфичното обемно съпротивление на твърди диелектрици се използват плоски образци и триелектродна схема на включване. На фиг.4. е показано разположението на трите електрода върху повърхността на диелектрика, означени с И - измервателен електрод, В - високоволтов, З - защитен.

Фиг4.

  Захранването не електрическата схема се осъществява от стабилизиран токоизправител с напрежение 500 V, големината на тока се измерва с магнитоелектричен галванометър Г. Опитният образец (О), заедно с металните електроди (В, И, З), е поместен в термокамера с почоща на която се получават необходимите температури.

   При положение 1 на превключвателя К, големината на тока отчетена от галванометъра е :

 където:

U - захранващо напрежение;

R_v - обемно съпротивление на образеца;

θ₁ - показание на галванометъра;

n₁ - шунтово число на галванометъра;

С - константа на галванометъра;

    При превключване на ключа К в положение 2, големината на тока е :

където:

R_o - известно точно съпротивление;

θ₂ - показание на галванометъра;

n_{2 -} шунтово число на галванометъра;

   От горните два израза  се определя обемното съпротивление на диелектрика:

4 Задание за работа

I. Да се измери обемното съпротивление на образец от твърд диелектрик при следните температури: 20^о, 60^о, 80^о и 100^оС.

II. Да се измери дебелината на диелектрика и средният диаметър на електродите.

III. Да се изчисли специфичното обемно съпротивление на диелектрика за същите температури по формулата:

    Получените резултати да се нанесат в таблицата.

IV. Да се построи графичната зависимост ρ_vt =f(t)