Ім'я файлу: Реферат 11 ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОГО ОПОРУ ТВЕРДИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ.docx
Розширення: docx
Розмір: 200кб.
Дата: 19.02.2023
скачати
Розширення: docx
Розмір: 200кб.
Дата: 19.02.2023
скачати
Діелектрики це – речовини (матеріал), що погано проводить електричний струм.
В техніці використовують тверді, рідкі та газоподібні діелектрики.
Тверді діелектрики це фарфор, гума, скло і т.д. В якості рідких діелектриків використовують трансформаторне, конденсаторне, кабельне масло. Найчастіше в якості газоподібного діелектрика використовують повітря. Тіла виготовлені з діелектрика називають ізоляторами.
Молекула діелектрика складається з позитивних і негативних йонів, а також електронів. Вільних електронів в діелектриках дуже мало.
На практиці діелектрики не вважається абсолютним ізолятором. Зазвичай елементарні заряди молекули діелектрика знаходяться в хаотичному тепловому коливальному русі біля центрів рівноваги. Якщо включити діелектрик в коло постійної напруги, то під дією сил електричного поля елементарні заряди молекул діелектрика перемістяться в напрямку діючих на них сил. В результаті зміщення зарядів в середині діелектрика в колі виникає короткочасний струм поляризації. Через дуже короткий час цей струм зникає.
Струм витоку цей струм може протікати через діелектрик довгий час. Діелектрик завжди має йони та вільні електрони, хоча їх дуже мало. Під дією електричного поля вони почнуть переміщатись. Величина струму витоку значно більша ніж струму поляризації. Проходячи через діелектрик струм витоку виділяє тепло.
Якщо включити діелектрик в коло змінної напруги то процес поляризації буде проходити періодично спочатку в одному напрямку, а потім в іншому й в колі виникне змінний струм. Процес який безперервно повторюється потребує затрат енергії . Періодичне переміщення в матеріалі діелектрика йонів та вільних електронів провокує виникнення струму витоку.
Діелектрики мають такі характеристики, як питомий опір, діелектрична проникність, кут діелектричних втрат, електрична міцність.
Технічний діелектрик не являється абсолютним ізолятором. Тому під час роботи він пропускає електричний струм. Величина цього струму дуже мала по відношенню до робочого струму, що протікає по струмоведучим частинам. Струм має два шляхи для протікання через діелектрик (по об’єму) або через його поверхню. Загальний струм витоку Iу дорівнює сумі струмів, що проходить через діелектрик і струму, що проходить по поверхні діелектрика Iпов.
Протікаючи двома шляхами струм долає опір діелектрика rоб та поверхневий опір діелектрика rпов. Повний опір ізоляції визначається rіз:
Опір одиниці об’єму називають питомим об’ємним опором і позначається ƥU .
Рис. 1
За одиницю об’ємного опору приймають опір вирізаного з даного матеріалу кубика з ребром 1см, якщо струм проходить через дві його протилежні грані (Рис.1 б.) Об’ємний опір вимірюють в омсантиметрах і визначається по формулі:
h – товщина в см2, S – площа бокової грані в см2.
Опір одиниці поверхні діелектрика називають питомим поверхневим опором позначається ƥS і вимірюється в омах.
За одиницю поверхневого опору приймають опір прямокутника (будь-яких розмірів), виділеного на поверхні матеріалу якщо струм проходить через дві протилежні сторони цього прямокутника
Рис 2.
Поверхневий опір визначається по формулі:
а – відстань між паралельно поставленими електродами
b – ширина електродів.
Питомий опір діелектрика залежить від стану речовини (твердий, рідкий, газоподібний), складу діелектрика, вологості, температури навколишнього середовища.
Діелектрична проникність
Величина що характеризує ємкість діелектрика поміщеного між обкладками конденсатора. Ємність конденсатора залежить від величини площини обкладок, відстанню між обкладками або товщини діелектрика, а також матеріалу діелектрика.
Кут діелектричних втрат
В ідеальному діелектрику ємкісний струм випереджає по фазі напругу на 90°. В реальному діелектрику цей кут менше 90° . На зменшення кута має вплив струм витоку, який називається струмом провідності. Різниця між 90° і кутом зсуву між напругою і струмом що проходить в колі з реальним діелектриком, називається кутом діелектричних втрат позначається δ, а тангенс кута tg δ.
Діелектричні втрати пропорційні квадрату напруги, частоті змінного струму, ємності конденсатору і тангенсу кута діелектричних втрат.
Отже, чим більше tg δ тим більші втрати енергії в діелектрику, тим гірше матеріал діелектрика. Матеріали з великим tg δ (0.08-0.1) вважаються поганими діелектриками, матеріали з малим tg δ (0.0001) вважаються хорошими діелектриками.
Електрична міцність
Властивість діелектрика витримувати ту чи іншу електричну напругу визначається електричною міцністю діелектрика.
Електричною міцністю, Eпр називається середня напруженість електричного поля, при якій відбувається електричний пробій. Напруга, при якому відбувається електричний пробій, називають «пробивною напругою», Uпр.
h – товщина діелектрика.
Пробій твердого діелектрика.
Розрізняють два види пробою твердого діелектрика:
тепловий
електричний
Електричний пробій – це руйнування структури речовини під дією електричного поля.. В слабому електричному полі електричні заряди пружно зміщуються, визиваючи поляризацію діелектрика. Якщо напруженість поля досягає величини пробивної відбувається зрив заряжених частинок з початкового положення що й призводить до пробою.
Тепловий пробій – пробій, спричинений втратою матеріалом електроізоляційних властивостей, пов’язаної з надмірним зростанням крізної електропровідності або діелектричних втрат від розігрівання в електричному полі до відповідних температур.
Процес нагріву постійно збільшується поки матеріал не нагріється настільки до коли не відбудеться його руйнування.
Пробій газоподібного діелектрика.
Пробій газоподібного діелектрика визваний створенням і рухом йонів в газоподібному середовищі при високому значенні напруженості електричного поля. В деякий момент швидкий рух йонів призводить до їх зіткнень з нейтральними молекулами газу і створенню нових йонів. Це явище супроводжується різким збільшенням числа йонів в наслідок чого опір газу зменшується, наступає пробій газоподібного діелектрика.
Пробій рідкого діелектрика.
На пробивну міцність рідких діелектриків впливає волога, гази, механічні та хімічні домішки. Пробій рідких діелектриків виникає в наслідок перегріву рідини і руйнуванню їх молекул.
Питомий опір – властивість діелектриків
Фундаментальна властивість діелектриків – це питомий опір. Питомий опір може бути використаний для визначення пробою діелектрика, тангенсу кута втрат, вміст вологи, механічної цілісності та інших важливих властивостей матеріалу. Для вимірювання таких великих величин опору діелектриків існують спеціальні вимірювальні прилади – електрометри і використовуються завдяки їх здатності вимірювати малі струми.
Від чого залежить питомий опір?
Питомий опір діелектрика - це вимір джерела відомої напруги, прикладеного до зразка, вимір отриманого струму та розрахунку опору за допомогою закону Ома. Після вимірювання опору питомий опір визначається на основі фізичних параметрів випробуваного зразка.
Питомий опір залежить від кількох чинників. По-перше, воно залежить від прикладеної напруги. Іноді напруга може змінюватися навмисне, щоб визначити залежність напруги діелектрика. Питомий опір також варіюється залежно від тривалості часу, електрифікації. Чим більша напруга, тим вищий опір, тому що матеріал продовжує заряджатися в геометричній прогресії. Екологічні чинники також впливають на питомий опір діелектрика. Загалом, що вища вологість, то нижчий опір.
Для отримання точних відомостей тесту потрібно, щоб напруга, час електрифікації та умови навколишнього середовища повинні бути постійними.
Питомий поверхневий опір
Поверхневий опір (Ом/квадрат) - здатність пропускати електричний струм поверхнею діелектрика - визначається як електричний опір поверхні діелектричного матеріалу. Вимірювання походить від електрода до електрода вздовж поверхні зразка діелектрика. Так як довжина поверхні фіксована, то вимір не залежить від фізичних розмірів (тобто товщини та діаметра) зразка діелектрика.
Об'ємний питомий електричний опір
Об'ємний питомий опір (Ом∙см) - здатність пропускати електричний струм через його обсяг - вимірюється шляхом застосування потенціалу напруги на протилежних сторонах зразка діелектрика та вимірювання результуючого струму через зразок.
Питома об'ємна електрична опір визначається як електричний опір за допомогою куба з діелектричного матеріалу.
Якщо значення виражено в Ом∙см, це вимірювання електричного опору через 1 сантиметр куба діелектричного матеріалу. Якщо виражено в Ом∙дюйм, це електричний опір через 1 дюйм куба ізоляційного матеріалу.
Як було зазначено вище, питомий опір є основною електричною характеристикою будь-якого електротехнічного матеріалу (провідникового, електроізоляційного та напівпровідникового). Воно обчислюється за формулою, відомої з електротехніки,
У провідникових матеріалів (металеві провідники) питомий опір визначається найпростіше. Для цього беруть відрізок дроту (рис. 12), що має площу поперечного перерізу S і довжину /. Вимірявши загальний опір цього відрізка, обчислюють значення питомого електричного опору за формулою.
Для вимірювання питомого опору провідників прийнято одиниця ом-мм-1м. Одиницею виміру питомого опору електроізоляційних матеріалів є омсантиметр (ом-см). Ця одиниця в 10000 разів більша за ом-мм.2/м, тобто 1 ом-см= 10 000 ом-мм2/м. Величину питомого об'ємного опору q„ електроізоляційних матеріалів визначають за допомогою вимірювання струму, що протікає через заданий обсяг випробуваного зразка діелектрика.
Рис. 3 Принципова схема установки вимірювання струму об'ємної електропровідності діелектрика
Рис. 4 Зразок твердого діелектрика з трьома електродами для визначення питомого об'ємного опору:
1 - нижній електрод, 2 - верхній електрод, 3 - кільцевий електрод, 4 - зразок діелектрика
Принципова схема установки вимірювання струму об'ємної провідності діелектрика представлена на рис. 66. Тут напруга U підводиться до нижнього 1 і верхнього 2 металевих електродів, щільно прилеглим до поверхні зразка твердого діелектрика. Як зразки використовують диски діаметром від 50 до 100 мм або пластини квадратної форми зі сторонами 50 і 100 мм. Товщина зразків може коливатися від кількох сотих міліметра (плівки) до кількох міліметрів (пластмаси, кераміка та ін.).
Крім нижнього електрода 1 і верхнього 2, зразок діелектрика постачають ще кільцевим (захисним) електродом 3. За допомогою цього електрода і дроту А, струм поверхневого витоку відводиться від гальванометра Г, так як для обчислення питомого об'ємного опору необхідно виміряти тільки об'ємний струм електропровідності Iv.
Цей струм визначають при додатку до електродів 1 і 2 постійної напруги U, яке вимірюють за допомогою вольтметра V. За виміряними значеннями U і Iv обчислюють загальний опір частини Rv матеріалу, обмеженої електродами 1 і 2.
Захисним електрод називається тому, що з його допомогою струм поверхневої електропровідності відводиться від гальванометра, тобто цей електрод «охороняє» гальванометр від потрапляння в нього струму поверхневої електропровідності.
Потім обчислюють питомий об'ємний опір діелектрика за формулою
де S - площа верхнього електрода, см2;
h - Товщина діелектрика, см, через яку проходить струм об'ємної електропровідності.
Значення питомого об'ємного опору електроізоляційних матеріалів знаходяться в межах:
Рис. 5. Зразок твердого діелектрика з концентрично розташованими верхніми електродами
Другою електричною характеристикою діелектриків є питомий поверхневий опір qs.
Рис. 6 Принципова схема установки для вимірювання струму поверхневої електропровідності діелектрика
У системі одиниць СІ за одиницю питомого об'ємного електричного опору прийнято ом-м (омметр). Омсантиметр є частиною, тобто дрібною одиницею від омметра: 1 ом.м = 100 ом-см.
Воно визначається на тих же зразках матеріалів, що і питомий об'ємний опір, як охоронний електрод використовується нижній електрод 1.
Принципова схема установки вимірювання струму поверхневої електропровідності на зразку діелектрика з концентрично розташованими електродами 2 і 3 показана на рис. . У цій установці гальванометр Г вимірює струми, що протікають поверхнею діелектрика (у кільцевому шарі) від електрода 1 до електрода 2. Струми ж об'ємного витоку надходять на нижній електрод і відводяться від гальванометра по дроту А.
За допомогою вольтметра V вимірюють напругу між електродами 1 і 2.
Тут також спочатку підраховують величину загального поверхневого опору Rs кільцевого шару між концентрично розташованими електродами 1 і 2 (за законом Ома)
Величина ж питомого поверхневого опору підраховується за загальною формулою
Довжина шляху витоку струму по поверхні діелектрика дорівнює ширині зазору між електродами
Замість перерізу S тут доводиться користуватися умовним перерізом S' — довжиною кола електрода 2, з кожної точки якої починають протікати струми поверхневої електропровідності. Замість довжини кола електрода 2 можна взяти довжину внутрішнього кола електрода 3, але, щоб зменшити помилку, як умовний переріз беруть довжину середнього кола, діаметром
. Тоді величина умовного перерізу S' (довжина середнього кола) дорівнюватиме
Підставляючи знайдені величини, отримаємо вираз для підрахунку питомого поверхневого опору
Питомий поверхневий опір діелектриків знаходиться в межах
У провідникових і напівпровідникових матеріалів вимірюється тільки загальний опір q, так як у цих матеріалів не можна розділити струми об'ємної та поверхневої електропровідності, а отже, не можна обчислити окремо питомий об'ємний і питомий поверхневий опір. Це пояснюється підвищеною провідністю цих матеріалів.