ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТІ ТВЕРДИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ
Мета роботи – дослідити вплив складу і структури матеріалу та факторів навколишнього середовища на значення питомих об'ємного – ρv та поверхневого – ρs опорів твердих діелектриків.
Завдання на роботу
1. Визначити ρv і ρs сухих твердих діелектриків при кімнатній температурі (об'єкти досліджень визначає викладач) і оцінити вплив складу і макроструктури на електропровідність полярних і неполярних однорідних, волокнистих та композиційних діелектриків.
2. Визначити ρv і ρs зволожених твердих діелектриків при кімнатній температурі і оцінити вплив вологи на електропровідність полярних і неполярних однорідних, волокнистих та композиційних діелектриків, порівнявши отримані результати з результатами п. 1.
3. Підготувати звіт з роботи з врахуванням мети роботи, основних і додаткових завдань, наведених у методичних вказівках з конкретних розділів роботи.
Теоретичні відомості
Властивості діелектричних матеріалів
Електропровідність діелектрика – властивість проводити під дією незмінного в часі електричного поля незмінний в часі електричний струм, зумовлений наскрізним спрямованим рухом вільних носіїв заряду в матеріалі під дією електричного поля. В чистому вигляді електропровідність діелектрика проявляється після закінчення експоненційно спадаючих з часом поляризаційних струмів, викликаних обмеженим зміщенням зв’язаних зарядів в діелектрику (поляризацією). Електропровідність діелектриків дуже мала, але має місце завжди, бо при будь-яких температурах та напруженостях електричного поля в діелектриках завжди існує певна кількість вільних носіїв заряду. Природа вільних носіїв заряду в діелектрикові визначається його агрегатним станом, складом та будовою речовини. Так, електропровідність газоподібних діелектриків зумовлюється в основному процесами іонізації газу під дією зовнішніх іонізуючих факторів (рентгенівські, ультрафіолетові та космічні промені, радіоактивне випромінювання природного чи штучного походження), теплової дії (температури вище 4000…6000 К) чи дії електричного поля (область сильних полів з напруженістю поля 1 Мв/м і більше). В рідких діелектриках, крім іонізації причиною появи вільних носіїв заряду є процеси термічної та електролітичної дисоціації. Ступінь дисоціації і, отже, електропровідність діелектрика визначаються природою його молекул. В неполярних діелектриках дисоціюють лише домішкові молекули. Тому рафіновані (старанно очищені від домішок) неполярні рідини мають низьку електричну провідність. У полярних рідинах окрім домішкових молекул дисоціюють власні молекули, причому ступінь дисоціації зростає зі збільшенням електричного моменту молекул рідини. Саме тому концентрація вільних іонів в полярних рідинах більша, ніж в неполярних, і полярні рідкі діелектрики використовують в електроізоляційній техніці тільки як конденсаторні матеріали, коли необхідна електрична ізоляція з підвищеною діелектричною проникністю (силові та імпульсні конденсатори). В твердих діелектриках ширина забороненої зони більша 3 еВ, тому збудження валентних електронів і перехід їх в зону провідності мало ймовірні і електропровідність носить здебільшого іонний характер причому походження вільних носіїв визначається типом хімічного зв’язку і будовою речовини. Так, електропровідність неполярних та іонних діелектриків з щільною упаковкою при помірних температурах зумовлюється, в основному, домішковими іонами, електропровідність полярних і іонних діелектриків з нещільною упаковкою (сюди слід віднести і аморфні іонні діелектрики) – домішковими та власними іонами. Причиною появи власних вільних носіїв заряду в діелектриках є такі процеси, як іонізація внаслідок дії частинок високої енергії, наприклад радіаційного фону Землі, що зумовлює незначну електронну провідність, дисоціація (процес розпаду молекул на іони при теплових зіткненнях, фізичній чи хімічній взаємодії) та термогенерація (утворення слабко зв’язаних іонів внаслідок переходу їх в міжвузловини, значно рідше вільних електронів внаслідок переходу валентних електронів в зону провідності за рахунок флуктуацій теплової енергії, особливо при наявності домішкових енергетичних рівнів в забороненій зоні діелектрика). При високих температурах і в сильних полях електропровідність твердих діелектриків може носити електронний (дірковий) характер. При звичайних умовах електронна (діркова) електропровідність характерна тільки для сегнетоелектричних матеріалів на основі титанату барію та деяких карбідів і нітридів, наприклад нітриду кремнію. Електропровідність діелектриків характеризується такими фізичними характеристиками, як питома провідність γ, що дорівнює відношенню густини наскрізного струму до напруженості електричного поля, чи оберненою їй величиною – питомим опором ρ, що є основним технічним параметром діелектричних матеріалів. За нормальних умов питомий опір діелектрика має значення понад 108 Ом•м. Найбільш значимими фактори зовнішнього середовища, які впливають на питому провідність твердих діелектриків є температура Т та вологість Н. Збільшення температури приводить до експоненціального збільшення концентрації вільних носіїв заряду внаслідок зростання ступеня дисоціації молекул діелектрика або інтенсивності термогенерації вільних носіїв заряду .Реакція діелектрика на зволоження визначається характером взаємодії матеріалу з полярними молекулами води. Вплив вологи на електропровідність діелектрика зумовлюється сорбцією (поглинанням) вологи поверхнею та об’ємом твердого тіла. Поверхнева сорбція води (адсорбція), яка значно інтенсивніша, особливо у випадку полярних діелектриків, приводить до зміни поверхневого опору RS матеріалу; при об’ємній сорбції (абсорбції) змінюється і об’ємний опір RV. Зростання провідності при зволоженні відбувається внаслідок як дисоціації адсорбованих чи абсорбованих молекул надзвичайно полярної речовини води, так і в результаті розчинення домішок та самого діелектрика при сильному зволоженні. Неполярні діелектрики не змочуються водою і не поглинають її, тому підвищення вологості навколишнього середовища слабко впливає на їхню поверхневу та об’ємну провідності. Полярні діелектрики змочуються водою, їхня поверхнева провідність в значній мірі залежить від вологості навколишнього середовища та від поверхневих забруднень. Вплив вологи на об’ємну провідність залежить при цьому від щільності матеріалу. Найбільш чутливі до вологи пористі діелектрики, які не тільки зволожуються поверхнево, а й поглинають велику кількість води завдяки капілярному ефекту. Іонні діелектрики змочуються водою та можуть частково розчинятися в ній, тому їх поверхнева електропровідність також досить чутлива до вологості навколишнього середовища. Саме волога є основною причиною неможливості використання водорозчинних діелектриків в електроустаткуванні. При використанні чутливих до зволоження, особливо пористих, а також рідких електротехнічних матеріалів необхідно забезпечити їх захист від зволоження шляхом, наприклад, герметизації або використання вологонепроникного і вологостійкого покриття. Суттєва різниця вкладу RS і RV в загальний опір діелектричної конструкції привела до необхідності їх виокремлення і введення крім такої загальної характеристики, як питомий опір ρ, окремих характеристик для поверхневої електропровідності діелектриків – питомий поверхневий опір ρs та об’ємної електропровідності – питомий об’ємний опір ρv . Питомий поверхневий опір ρs діелектричного матеріалу за значенням дорівнює поверхневому опору плоскої ділянки поверхні твердого діелектрика в формі квадрата довільного розміру при протіканні наскрізного струму між двома протилежними сторонами цього квадрата. Питомий об’ємний опір ρv матеріалу за значенням дорівнює об’ємному опору куба з твердого діелектрика з ребром 1 м при протіканні наскрізного струму (постійна складова) між двома протилежними гранями цього куба .
Методичні вказівки
Характерною особливістю електропровідності діелектриків є суттєва відмінність впливу зовнішніх факторів, в першу чергу забруднення і зволоження діелектрика на об'ємний і поверхневий струми, особливо для водонепроникних діелектриків, в яких об'ємний струм залишається практично незмінним, а поверхневий струм може змінюватися на кілька порядків величини. Ця особливість викликала необхідність введення для характеристики здатності діелектрика проводити електричний струм двох окремих параметрів: об'ємного та поверхневого питомих опорів. Як випливає з визначень питомих опорів, наведених у додатку 1, їх можна розрахувати, якщо відомі значення об'ємного та поверхневого наскрізних струмів. Разом з тим, при вимірюваннях необхідно звернути увагу на те, що у діелектриках окрім наскрізного струму вільних но-сіїв заряду, який не змінюється в часі, можуть протікати згасаючі з часом струми зміщення, зумовлені рухом зв'язаних зарядів, та абсорбційні струми, пов’язані з накопиченням вільних носіїв заряду на неоднорідностях діелектрика. Тому на практиці, якщо у технічних умовах на матеріал немає вказівок про час витримки зразка матеріалу під напругою при вимірюванні опору, то відлік значення струму слід робити на 60–й секунді після прикладення напруги.
Порядок виконання роботи
Вивчення впливу вологи на значення питомих опорів діелектрика. 1. За вказівкою викладача відібрати кондиціоновані при малій вологості в ексикаторі з CaCl2 зразки діелектричних матеріалів (картон, гетинакс, гума, полівінілхлорид тощо) з різними складом і структурою. 2. При вимірюванні поверхневого та об'ємного опорів тераомметром слід включити прилад, дати йому прогрітися, перевірити наявність нуля і перейти до вимірювання, враховуючи, що прилад вимірює значення об’ємного Rv = U/ Iv та поверхневого опорів Rs = U/Is. Результати вимірювань та розрахунків занести у таблиці за формою табл. 1.1. Таблиця повинна бути розрахована не менш, ніж на 4 матеріали. 3. Відібрати кондиціоновані при насиченій вологості зразки тих діелектричних матеріалів, які досліджувалися в сухому стані, провести вимірювання поверхневих та об’ємних опорів.
Завдання для самостійної підготовки
1. Відмінності між електропровідністю та поляризацією, між струмом витоку і наскрізним струмом діелектрика.
2. Зв'язок між структурою діелектрика, типом та концентрацією вільних носіїв заряду в ньому.
3. Фізична суть впливу зовнішніх чинників на електропровідність діелектрика.
4. Підібрати з врахуванням спеціальності приклади електротехнічних виробів, коли електропровідність є визначальною при виборі матеріалу.
Контрольні запитання
1. Наведіть визначення основних фізичних величин та технічних параметрів електропровідності діелектриків.
2. Чим зумовлена і який механізм має електропровідність твердих діелектриків в залежності від їх структури і складу?
3. Яку роль відіграють носії заряду різного типу в електропровідності органічних і неорганічних діелектриків з різним типом хімічного зв’язку в залежності від зовнішніх факторів.
4. Чим викликана відмінність поверхневої електропровідності від об’ємної у випадку твердих електроізоляційних матеріалів?
5. Які фактори впливають на об'ємну і поверхневу електропровідність твердих діелектриків?
6. Як змінюється електропровідність діелектрика при переході з аморфного (склоподібного) стану в кристалічний?
7. Чому питома провідність полярних електроізоляційних матеріалів при рівних умовах більша, ніж у неполярних?
8. Пояснити, чому адсорбція і абсорбція нейтральних молекул води впливає на електропровідність діелектриків.
9. Пояснити принцип розділення об’ємних і поверхневих струмів у діелектриках і особливості увімкнення зразка діелектрика при вимірюванні ρv і ρs.
10. Як змінюється електропровідність газоподібних діелектриків в залежності від напруги і який механізм цих змін?
11. Які особливості електропровідності рідинних діелектриків?
12. Що таке моліонна провідність, в яких діелектриках і при яких умовах вона має місце?
13. Які вимоги ставляться до електроізоляційних матеріалів, що використовуються в електричних мережах? Назвіть і охарактеризуйте найпоширеніші з них.
14. Які електроізоляційні матеріали використовуються в електричних машинах і які вони мають характеристики?
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Електротехнічні матеріали» для студентів усіх форм навчання та студентів-іноземців за спеціальністю 141 – «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка», Укладачі: Будько М.О., Кириленко В.М., Кириленко К.В., Затверджено Вченою радою ФЕА НТУУ «КПІ» (Протокол № 11 від 23 червня 2015 р.) К.: ФЕА НТУУ «КПІ», 2016.–94 с.