Зав. кафедрой ______________________

Зав. кафедрой _______________________ В.М. Степанов

Сборник методических указаний к лабораторным работам пересмотрен и утвержден на заседании кафедры «Электроэнергетика» САУ факультета,

протокол №___ от "___"______________ 200_ г.

Зав. кафедрой _______________________ В.М. Степанов

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ)

Цель работы — изучение стандартных методов определения на постоянном токе удельного объемного ρ и удельного поверхностного ρ_s электрического сопротивления твердых диэлектриков (электроизоляционных материалов) и определение ρ и ρ_s образцов различных материалов в зависимости от различных условий окружающей среды.

Домашнее задание

Изучите:

1) физические основы и характерные черты явления электропроводности диэлектриков (электроизоляционных материалов);

2) физические основы влияния условий окружающей среды на процесс электропроводности диэлектриков;

3) стандартные методы определения ρ и ρ_s на постоянном токе и порядок работы на установках для измерения сопротивления диэлектриков;

4) требования к образцам материалов для определения удельного объемного и поверхностного сопротивлений диэлектриков (электроизоляционных материалов);

5) порядок проведения обработки результатов испытаний и оформления протокола по работе.

Описание лабораторной установки

На испытуемом плоском образце ИО с толщиной Л расположены высоковольтный ВЭ, измерительный ИЭ и охранный ОЭ электроды (рис.1.1 а и б).

При измерении р (рис. 1.1 а) высокое напряжение U подается на электрод ВЭ. Ток протекает по объему, ограниченному ВЭ и ИЭ электродами. Электрод ОЭ заземлен. Поэтому ток, протекающий по поверхности образца, отводится на землю и не измеряется регистрирующим прибором РП.

Рис. 1.1 - Принципиальная схема измерения объемного ρ (а), поверхностного ρ_s (б), сопротивлений и установка (в) для измерения на постоянном токе сопротивлений R_y и r_s образцов

Заземлением ОЭ электрода достигается также и некоторое выравнивание электрического поля у краев электродов. Однако, неоднородность электрического поля следует учитывать, приняв, что ток протекает по образцу, площадь поперечного сечения которого определяется диаметром, м,

D₀=(D₁+D₂)/2 (1.1)

а длина равна Л, м. Если измеренное прибором РП сопротивление равно Ry, Ом, то р материала (Ом-м) рассчитывается по формуле

ρ=R_V(π/16)*(D₁+D₂)²/h (1.2)

При измерении p_s (рис. 1.1 б) напряжение подается на электрод ОЭ. Электрод ВЭ заземлен, поэтому ток, протекающий от ОЭ по объему образца, отводится на землю. Считается, что ток протекает по образцу с длиной, м,

g= (D₂-D₁)/2 (1.3)

и с сечением

S_n=π(D₁+D₂)/2 (1.4)

Если в этом случае измеренное прибором РП сопротивление равно R_s (Ом), то р_s (Ом) материала рассчитывается по формуле

ρ_s=π(D₁+D₂)/(D₂ - D₁) (1.5)

Для измерения R_v и R_s в работе используются метод косвенного и метод

прямого измерений сопротивления.

При косвенном измерении сопротивление рассчитывается по значениям

испытательного напряжения, приложенного к электродам на образце, и току,

протекающему через образец; ток измеряется зеркальным гальванометром

методом непосредственного отклонения.

При прямом измерении сопротивление между электродами ВЭ и ИЭ измеряется с помощью тераомметра.

При измерении R_v или R_s косвенным методом ток измеряется зеркальным гальванометром, снабженным универсальным шунтом R_ш. Различным положениям шунта соответствуют шунтовые числа 1/n в пределах от 1/10000 до 1/1. Если при измерении показание гальванометра в единицах зеркальной шкалы равно α (мм), то измеряемый ток равен I=nαCd А, где Cd- динамическая постоянная гальванометра, А/мм.

Тогда с учетом (1.2) и (1.5) ρ (Ом-м)и ρ _s (Ом) материалов:

ρ=(U/(nαCd))*(π/16)*(D1+D2)2/h (1.6)

ρ_s =(U/(nαCd))*π(D1+D2)/ (D2 -D1) (1.7)

Источником постоянного напряжения установки (рис.1.1 в) является выпрямитель, состоящий из высоковольтного трансформатора ВТ, диода VD и сглаживающего пульсации тока конденсатора С. Напряжение на первичной обмотке ВТ изменяется с помощью автотрансформатора AT. Защитный резистор R₀ ограничивает ток в цепи при пробое образца до безопасных значений.

При измерениях испытуемый образец и токоведущие части установки, соединенные с клеммами ВН и Г (рис. 1.1 в), находятся под высоким потенциалом. Поэтому они изолированы от оператора в камере, выполненной из прозрачного пластика, или в термостате. На дверцах камеры и термостата смонтированы блок-контакты БК1 и БК2. При открывании любой дверцы контакт БК1 размыкается и отключает установку от сети; одновременно контакт БК2 замыкается и разряжает конденсатор С; разряжается на землю и заряд, запасенный в испытуемом образце.

Включение установки и проведение испытаний возможно только при закрытых дверцах.

Если дверцы закрыты, то при включении щитового выключателя ВЩ загорается сигнальная лампа Л1, высвечивая надпись «УСТАНОВКА ВКЛЮЧЕНА». Нажатием расположенной на пульте кнопки Пуск магнитного пускателя на его обмотку ОП подается напряжение. Контакты КП и блокирующие кнопку Пуск вспомогательные контакты ВК пускателя замыкаются. Загорается сигнальная лампа Л2 и на пульте высвечивается красный сигнал "ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПОДАНО". Установив на образце по вольтметру В нужную величину напряжения, замыкают ключ К. В установке предусмотрено, что замыкание К происходит одновременно с переводом переключателя Rщ из положения 1/10000 в другое, выбираемое оператором.

Образец электроизоляционного материала - диэлектрика с нанесенными электродами представляет собой конденсатор. После подачи на электроды такого конденсатора постоянного напряжения по объему или поверхности диэлектрика протекают токи, в которых можно выделить такие компоненты. Ток электропроводности, обусловленный перемещением нейтрализующихся на электродах свободных зарядов (значение этого тока определяет величину R_v и R_s диэлектрика), и ток, спадающий во времени (ток абсорбции, вызванный смещением связанных зарядов - поляризацией диэлектрика). Время завершения процесса установления тока абсорбции определяется строением диэлектрика и условиями окружающей среды. Уменьшение во времени тока абсорбции приводит к изменению и измеряемого тока, протекающего через образец диэлектрика. Дня многих диэлектриков процесс изменения тока завершается в течение 1 минуты, поэтому отсчет измерения тока производят на 60-й секунде после приложения к образцу напряжения.

Рабочее задание

1. Определите ρ и ρ_s твердых электроизоляционных материалов: гетинакса (серии из 3-5 образцов); текстолита (стеклотекстолита) (серии из 3—5 образцов); асбестоцемента (серии из 3-5 образцов). Метод измерения (косвенный или прямой) и величину испытательного напряжения выбирайте по указанию преподавателя. Рассчитайте средние значения найденных значений ρ и ρ_s. За среднее значение примите потенцированное среднее значение десятичных логарифмов величин сопротивлений.

2. Пользуясь косвенным методом измерения сопротивления, снимите при комнатной температуре зависимость ρ и ρ_s от величины приложенного напряжения образцов твердых диэлектриков (по указанию преподавателя); величину напряжения изменяйте от 500 до 1500 В. Постройте графики зависимостей р и р₅ от напряжения.

3. В интервале температур от комнатной до Т = 100 °С (5-6 точек) снимите зависимость ρ(T) образца электроизоляционной лакоткани. Метод измерения (косвенный или прямой) и величину испытательного напряжения выбирайте по указанию преподавателя. По найденным значениям методом наименьших квадратов зависимость lg[ρ(T)] аппроксимируйте прямой и рассчитайте значения параметров ρ₀ и α, которые входят в уравнение (1.1.8).

4. Сделайте письменные выводы по проделанной работе.

Порядок проведения работы

Работа проводится при напряжениях опасных для жизни и требует строгого выполнения правил по технике безопасности. Перед началом работы следует ознакомиться с устройством установки, типовым заданием, приведенным в работе, указаниями преподавателя по его выполнению. Начинать работу на установке можно только по разрешению преподавателя.

Размещать образцы, производить переключения элементов установки, находящихся в объеме камеры или термостата, можно, лишь выключив выключатель ВЩ на щите.

1. Подготовьте образцы для испытаний. Измерьте толщину А, диаметры
D₁ и D₂ электродов. Зафиксируйте динамическую постоянную гальванометра C_d А/мм,

2. Схема установки смонтирована, и в процессе работы необходимо только произвести включение исследуемого образца ИО в схему в рабочем объеме камеры или термостата. Электрод ВЭ образца помещается на металлический изолированный столик. Электрический контакт осуществляется с помощью массивных металлических накладных электродов, контактирующих с нанесенными на образец электродами. Электроды ВЭ, ИЭ и ОЭ соединяются с расположенными в камере и термостате клеммами ВН, Г и 3 по схемам, приведенным на рис. 1.1 а и б. После подключения образца дверцы камеры и термостата должны быть закрыты на замок.

3. Порядок работы при косвенном методе измерения.

3.1. Фиксируют "нулевое" положение регулятора автотрансформатора AT и положение 1 /10000 переключателя шунта; переключатель П "КАМЕРА —ТЕРМОСТАТ" устанавливают в требуемое положение.

3.2. Включают выключатель ВЩ, нажимают кнопку Пуск пускателя, фиксируют "НУЛЬ" светового указателя на шкале гальванометра, устанавливают с помощью автотрансформатора AT по вольтметру В требуемое напряжение.

3.3. Переводят переключатель R_ш из положения 1/10000 в положения с меньшим 'V, таким, чтобы установившееся отклонение светового указателя находилось в пределах 50-100 делений (мм) шкалы. Одновременно с переводом переключателя из положения 1/10000 включают секундомер.

По истечении 60 с фиксируют и записывают отклонение светового указателя на шкале.

3.4. Переводят переключатель R_ш в положение 1/10000, регулятор AT выставляют в "нулевое положение", нажимают кнопку Стоп, выключают выключатель ВЩ, открывают дверцу камеры (термостата), производят подключение другого образца в последовательности, предусмотренной п.2 «Порядка проведения работы». Далее измерения проводят в последовательности, предусмотренной п.п. 3.1.-3.4. «Порядка проведения работы».

4. При прямом методе измерения сопротивления в работе применяется тераомметр Е6-13, где измерение сопротивления основывается на сравнении измеряемого и образцового сопротивлений. Операции измерения производятся в следующем порядке.

4.1. Включается питание прибора и осуществляется его прогрев в течение 30 минут.

4.2. 4.2 Переключатель "ЛИНЕЙНАЯ-ОБРАТНАЯ" шкала, расположенный на задней панели прибора, выставляют в положение "ЛИНЕЙНАЯ".

4.3. Нажав и повернув по часовой стрелке ручку замыкателя входа, замыкают измерительную цепь (вход) прибора.

4.4. Переключатель диапазонов выставляют в положение, которое соответствует значению измеряемого сопротивления.

4.5. Ручкой точной установки нуля устанавливают электрический нуль по шкале прибора. Такую установку необходимо периодически повторять в процессе последующих измерений.

ПРИМЕЧАНИЕ: на задней панели прибора расположена ручка грубой установки нуля.

4.6. Образец размещают в измерительной камере, которая служит экраном при измерении больших сопротивлений. Подключение образца к

клеммам, расположенным в камере, производят согласно схемам рис. 1.1 а и 6. Камеру закрывают на замок.

4.7. Нажав и повернув против часовой стрелки ручку замыкателя входа, включают измерительную цепь прибора и по истечение 1 минуты производят отсчет значения измеряемого сопротивления; далее блокируют измерительную цепь прибора по п.4.3., открывают камеру, производят необходимые операции с образцом.

4.8 Последующие измерения выполняют в последовательности, предписываемой п.п. 4.2. - 4.5, 4.7.

5. При измерении r_v и R_s образцов при повышенных температурах их размещают в термостате. Включают нагрев термостата, регулятор температуры устанавливают на нужную температуру T₁ производят нагрев и доследующую выдержку образцов при выбранной T₁ в течение 10-15 минут. Измерения проводят в последовательности, предписываемой п.п. 2 и 3 «Порядка проведения работы».

6. После выполнения всего объема испытаний следует: переключатель шунта гальванометра перевести в положение 1/10000, поставить регулятор автотрансформатора AT в положение "О", отключить выключатель ВЩ, открыть дверцу камеры или термостата, выгрузить образцы и разместить их в контейнере для образцов, отключить питание тераомметра Еб-13, получить разрешение преподавателя на окончание работы.

Обработка результатов измерений

1. Протокол испытаний должен содержать данные, перечень которых приведен в приложении 1.

_2.Сопротивления ρ и ρ_s рассчитываются по формулам соответственно (1.6) и (1.7). Рассчитываются десятичные логарифмы lgρ и lgρ_s

3. По формулам, приведенным в приложении 2, рассчитывают среднеарифметические значения (lgρ)_cp и (lgρ_s)_ср. Потенцированием полученных значений рассчитывают соответственно ρ_ср и ρ_s_ср

4. Уменьшение ρ_s с ростом Т в интервале температур Т₀-Т может быть выражено формулой

ρ(T)= ρ₀*exp(-αT) (1.8)

где ρ₀- сопротивление при температуре T₀; α - коэффициент, который зависит от свойств материала и условий испытания.

Логарифмируя (1.1.8), получим lgρ(T) = lgρ₀ - 0,43αТ - зависимость, представляющую собой в координатах Y=lgρ(T) и Х=Т прямую, где с ростом Т значение Y линейно уменьшается от значения Y=lgρ₀ при T₀. Эту прямую строят по экспериментальным значениям T_i и Y_i(T_i)=lgρ(T_i), пользуясь методом наименьших квадратов. При этом сумма квадратов отклонений экспериментальных значений Y_i(T_i) от соответствующих им значений на построенной прямой должна быть минимальной. По значениям lgρ(T_i) взятым на построенной прямой, рассчитывают коэффициент а по формуле:

2. Как зависят р и р_s от температуры, увлажнения и загрязнения, радиации и других факторов?

3. Какие методы используют для измерения р и р_s диэлектриков и почему необходима стандартизация таких измерении.

4. Что представляют собой гетинакс, стеклотекстолит, асбестоцемент, лакоткань; почему величины удельного объемного и поверхностного сопротивлений таких материалов различаются?

ЛИТЕРАТУРА

1. Арзамасов Б.Н. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. Под общей редакцией Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина – 3 – е изд., переработанное и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.-648 с., ил.

2. Горелик С.С. Материаловедение полупроводников и диэлектриков: Учебник для вузов / С.С. Горелик, М.Я. Дашевский – 2 – е изд., переработанное и доп. – М.: МИСИС, 2003.-480 с., ил.

3. Струк В.А., Материаловедение в машиностроении и промышленных технологиях: Учебно-справочное руководство / В.А. Струк, Л.С. Пинчук, Н.К. Мышкин, В.А. Гольдаде, П.А. Витязь – Долгопрудный: - Изд. Дом «Интелект», 2010.-536 с.

α=2.3[lgρ(T_(i+1)-lgρ(T_i)]/(T_(i+1)- T_i),1/град (1.9)

Контрольные вопросы

1. Чем вызвана электропроводность диэлектриков? Какие частицы переносят заряд в электрическом поле в диэлектрике, каковы механизмы их генерации и перемещения? Что такое объемная и поверхностная электропроводность диэлектриков (электроизоляционных материалов)?

Лабораторная работа № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА ЧАСТОТЕ 50 Гц

Цель работы - изучение стандартных методов определения диэлектрической проницаемости e и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ твердых диэлектриков (электроизоляционных материалов) на переменном токе (частоты 50 Гц) и определение e и tgδ образцов различных материалов и изделий на их основе в зависимости от различных условий окружающей среды.

Домашнее задание

Изучите:

1) физические основы и характерные черты явлений поляризации и диэлектрических потерь в твердых диэлектриках;

2) влияние окружающей среды на процессы поляризации и диэлектрических потерь;

3) стандартные методы определения e и tgδ при напряжении с частотой 50 Гц; устройство установки для определения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь конденсаторов (моста переменного тока типа P5026) и порядок работы на установке;

4) требования к образцам материалов для определения e и tgδ диэлектриков;

5) порядок проведения обработки результатов испытаний и оформления протокола по работе.

Описание лабораторной установки

Установка представляет собой четырехплечий мост, схема которого представлена на рис. 2.1. В работе используется мост переменного тока типа Р5026.

Рис. 2.1 - Принципиальная схема высоковольтного моста для измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь конденсаторов

Испытуемый плоский образец ИО (конденсатор), который можно представить эквивалентной схемой замещения в виде параллельно соединенных емкости Сpx и сопротивления Rpx (или последовательно соединенных С_sx и R_sx ), подключен в плечо АВ моста.

Электроды на образце и токоведущие части установки, составляющие плечо АВ, во время испытания находятся под высоким потенциалом. Поэтому они изолированы от оператора в камеру, выполненную из прозрачного пластика. Изолирован и конденсатор С₀ (С₀ = 50 мкФ).

На дверце камеры смонтированы контакты ДК и БК2. При открывании дверцы ДК отключает установку от сети, БК2 заземляет клемму "В". Если дверцы закрыты, то при включении щитового выключателя ВЩ загорается сигнальная лампа СЛ1, высвечивая надпись "установка включена".

Нажатием расположенной на пульте кнопки «Пуск» магнитного пускателя на его обмотку ОП подается напряжение. Контакты КП и блокирующие кнопку «Пуск» вспомогательные контакты ВК пускателя замыкаются, загорается сигнальная лампа СЛ2 и на пульте высвечивается красный сигнал "ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПОДАНО".

Установив на образце с помощью автотрансформатора AT по вольтметру В требуемую величину напряжения, подбором соответствующих величин R3 и С4 уравновешивают мост. Индикатором равновесия ИР служит встроенный в мост микроамперметр. Используется также и электронный индикатор нуля типа Ф-510. В индикаторе Ф-510 на горизонтальные пластины, электронно-лучевой трубки подается напряжение, пропорциональ-ное напряжению, приложенному к образцу; на вертикальные - напряжению на измерительной диагонали ВГ моста. Если мост не уравновешен, то на экране фиксируется эллипс. В случае равновесия -горизонтальная прямая линия.

Зафиксировав в момент равновесия значения R3 (Ом) и С4 (мкФ), tgδ и емкость Сx (Ф) испытуемого конденсатора рассчитывают по формулам;

tgδ=ωR₄C₄ (2.1)

C_X=C₀R₄/[R₃(1+tg²δ)] (2.2)

Сопротивление резистора R4 в мосте Р5026 выбрано равным 10000 Ом. Поэтому на частоте 50 Гц величина tgδ численно равна емкости С4, выраженной в микрофарадах. Для диэлектриков (электроизоляционных материалов) обычно tgδ <<0,1. Поэтому вычисление Сx можно проводить по более простой формуле

С_Х=С₀R₄/R₃. (2.3)

В схеме моста предусмотрены разрядники Р, защищающие оператора и схему моста в случае пробоя образца ИО или конденсатора Cq.

Рабочее задание

1. Определите e и tgδ твердых диэлектриков (электроизоляционных материалов):

- стеклотекстолита (серия из 3-5 образцов);

- гетинакса (серия из 3-5 образцов);

- керамического материала (серия из 3-5 образцов);

- боросиликатного стекла (серия из 3-5 образцов).

2. Рассчитайте средние значения, стандартные отклонения и 90%-ные доверительные интервалы для найденных значений ε и tgδ.

3. При напряжениях 2, 4, 5 и 7 кВ определите Сx- и tgδx конденсатора, в диэлектрическом слое которого содержатся воздушные включения большого объема. Рассчитайте мощность диэлектрических потерь Р, выделяющихся в конденсаторе. Постройте графики зависимостей tgδ, С_X и P от напряжения.

4. Сделайте письменные выводы по проведенной работе.

Порядок проведения работы

Работа проводится при напряжениях опасных для жизни и поэтому требует строгого выполнения правил по технике безопасности. Перед началом работы следует ознакомиться с устройством установки, типовым заданием, приведенным в работе, указаниями преподавателя по его выполнению. Начинать работу на установке можно только по разрешению преподавателя. Размещать образцы, производить переключения элементов

установки, находящихся в объеме камеры, можно, лишь выключив выключатель ВЩ на щите.

1. Включите питание электронного указателя равновесия Ф - 510.

2. Подготовьте образцы для испытаний. Измерьте: толщину (h, м), диаметры измерительного (D, м) и внутреннего (D1, м) охранного электродов. Рассчитайте величину зазора g = (D1 - D)/2, м.

3. Схема установки смонтирована. В процессе работы необходимо только произвести подключение образца ИО в плечо АВ моста. Электрод ВЭ образца располагают на соединенном с клеммой А металлическом изолированном столике. Электрод ИЭ соединяется с расположенной в камере клеммой ИЭ. Охранный электрод ОЭ заземляется.

4. С помощью автотрансформатора AT по вольтметру В на образце ИО устанавливают нужное напряжение. Переключатель чувствительности указателя равновесия Ф - 510 ("УСИЛЕНИЕ ПО Y") устанавливают в начальное (1-2) положение и производят уравновешивание моста. Для этого подбирают величину C4, начиная с больших значений, таким образом, чтобы у фиксируемого на экране указателя равновесия эллипса малая ось уменьшалась, а направление большой оси приближалось к горизонтальному. Процесс продолжают при большей чувствительности индикатора. Считается, что мост уравновешен, если переключатель чувствительности находится в положениях 7-8, а на экране указателя фиксируется горизонтальная прямая линия.

6. Измерения при большем напряжении проводят в той же последовательности, как это и предписано в п.4 Порядка проведения работы.

7. После выполнения всего объема испытаний для завершения работы необходимо выполнить следующие операции.

7.1. Переключатель чувствительности указателя равновесия Ф-510 вывести в нулевое положение.

7.2. Уменьшить напряжение по вольтметру В до 0.

7.3. Нажать кнопку «Стоп» пускателя.

7.4. Открыть дверцу камеры.

7.5. Выключить ВЩ выключатель.

7.6. Извлечь образец и разместить его в контейнере для образцов.

7.7. Получить разрешение преподавателя на окончание работы.

Обработка результатов измерений

1. Протокол испытаний должен содержать данные, перечень которых приведен в приложении 1.

2. Значения tgδ и С_X и образцов вычисляют по формулам (2.1) - (2.3).

3. Мощность потерь Р (Вт) рассчитывают по формуле

Р_AX = U²*2πfC_Xtgδ_X, (2.4)

где U, f и С_X выражаются соответственно в вольтах, герцах, фарадах.

Относительная диэлектрическая проницаемость рассчитывается по формуле

ε =C_X*h/(ε₀*S_эфф), (2.5)

где ε = 8,85-10~12 Ф/м - электрическая постоянная; S_эфф (м²) - эффективная площадь измерительного электрода, которая зависит от искажения электрического поля у краев измерительного и охранного электродов. Эффективная площадь вычисляется по формуле

S_эфф =π(D+B*g)² (2.6)

где В поправочный коэффициент, учитывающий искажение электрического поля у края электродов, может быть найден по графику (рис. 2.2).

Рис. 2.2 -Поправочный коэффициент В дня учета искажения поля у краев электродов

Средние значения, стандартные отклонения и 90%-ные доверительные интервалы для найденных значений ε_r и tgδ рассчитываются по формулам, приведенным в приложении 2.

Контрольные вопросы

1. Какие виды поляризаций могут наблюдаться в твердых диэлектриках, что такое диэлектрическая проницаемость?

2. Какие поляризации сопровождаются диэлектрическими потерями?

3. Какие механизмы обусловливают диэлектрические потери, что такое мощность диэлектрических потерь и тангенс угла диэлектрических потерь?

4. Как зависят ε и tgδ от температуры, напряженности электрического

поля?

5. Как работает схема высоковольтного моста для измерения С и tgδ конденсаторов?

6. Почему необходима стандартизация измерений С и tgδ конденсаторов?

7. Как рассчитать величину e диэлектрического материала по измеренной емкости конденсатора?

8. Что представляют собой стеклотекстолит, текстолит, электрокерамика, конденсаторные и установочные стекла?

ЛИТЕРАТУРА

Лабораторная работа № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА

УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ) НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Цельработы - определение диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ различных электроизоляционных материалов в зависимости от изменения частоты электрического поля, а также ознакомление с одним из стандартных методов определения этих диэлектрических характеристик.

Домашнее задание

Изучите:

1) физические основы и характерные черты различных видов поляризации диэлектриков на высоких частотах;

2) виды и физическую природу диэлектрических потерь;

3) влияние частоты электрического поля и температуры окружающей среды при испытании на величины ε и tgδ,

4) методику определения ε и tgδ твердых электроизоляционных материалов на высоких частотах (выше 10 кГц) резонансным методом;

5) порядок проведения работы;

6) порядок проведения обработки результатов испытаний и оформления протокола по работе.

Описание лабораторной установки

Рис.3.1 - Принципиальная схема измерительного колебательного контура куметра без подключенного образца (а) и с подключенным образцом (б)

В работе для определения ε и tgδ диэлектриков на высоких частотах используется резонансный метод измерения емкости и добротности конденсаторов с помощью измерителя добротности (куметра).

Измерение основано на двукратной настройке в резонанс последовательного колебательного контура, содержащего образцовую катушку индуктивности L и конденсатор переменной емкости С (рис. 3.1 а). Сначала, не подключая испытуемый конденсатор, изменением емкости С контур настраивают в резонанс, когда комплексное сопротивление контура минимально, а реактивные составляющие общего сопротивления контура равны, то есть

ωL=1/(ωC) (3.1)

Резонанс фиксируют по максимальному показанию Q1 проградуиро-ванного в единицах добротности вольтметра Q.

Далее, испытуемый конденсатор, который может быть представлен в виде параллельной схемы замещения (С и R), включается параллельно емкости С (рис. 3.1 б). При неизменных частоте и индуктивности L контур вновь настраивается в резонанс. Теперь настройка контура производится изменением (уменьшением) переменной емкости С от величины С1 до С2, так чтобы

С₁ = С₂ + С_Х. (3.2)

Значение добротности Q2, соответствующее резонансу в контуре с подключенным испытуемым конденсатором, меньше Q1 из - за диэлектрических потерь в конденсаторе С_X.

Тангенс угла диэлектрических потерь испытуемого конденсатора tgδ рассчитывают по формуле

tgδ = (Q₁-Q₂)*C₁/[Q₁Q₂*(C₁-C₂)]. (3.3)

где С1 и Q1 - соответственно значения емкости С и добротности контура Q в резонансе без образца; С2 и Q2 - то же с образцом.

Рабочее задание

1.При температуре 20±5 °С на частоте 1 МГц определите ε и tgδ образцов твердых диэлектриков, выбранных по указанию преподавателя.

2. Рассчитайте погрешность определения е и tgδ.

3. Снимите зависимости ε и tgδ от частоты в диапазоне от 50 кГц до 10 МГц (10 - 12 точек, по указанию преподавателя) для предложенных образцов диэлектриков.

4. Полученные зависимости представьте в виде графиков ε = f ₁(lgv) и tgδ = f ₂>(lgv) > где v – частота электрического поля.

5. Сделайте письменные выводы по проведенной работе.

6. Выполните протокол проделанной работы.

Порядок проведения работы

Исследования образцов производятся с помощью измерителя добротности Е 4 - 7, предназначенного для эксплуатации в интервале частот от 50 кГц до 35 МГц.

Перед началом работы следует ознакомиться с прибором, комплектом образцовых катушек индуктивности, предлагаемыми образцами твердых электроизоляционных материалов, типовым рабочим заданием и указаниями преподавателя. Начинать работу можно только по разрешению преподавателя в следующем порядке.

1. Для подготовки прибора к работе тумблер питания включается в положение «СЕТЬ», при этом должна загореться сигнальная лампочка. Прибор будет готов к работе после 30-минутного прогрева.

2. Подготовьте образцы диэлектриков для испытаний. В случае необходимости проведите измерение геометрических размеров образцов и электродов.

После прогрева производится калибровка прибора, для чего, установив переключатель «Частота kHz/MHz» на требуемый поддиапазон, ручкой «Частота kHz/MHz» поставьте стрелку на нужную частоту. Переключатель «ΔQ – Q» поставьте в положение «Q», а тумблер «Измерение-калибровка» Q▼- в положение Калибровка Q▼. Ручкой Калибровка Q▼ стрелка измерительного прибора устанавливается точно на риску под знаком «▼». После этого тумблер Измерение-калибровка Q▼ ставится в положение Измерение. Прибор готов к измерениям.

Из комплекта катушек индуктивности подберите такую, которая может резонировать на частоте измерения (диапазон частот указан на катушке), и подключите ее к клеммам «L».

5. Настройте измерительный контур в резонанс. Для этого нажатием кнопки «↔» изменяйте емкость конденсатора переменной емкости, добиваясь максимального значения Q. В случае необходимости нужно перейти на другой диапазон Q. Точная настройка контура в резонанс производится нониусным конденсатором. Проведите калибровку в соответствии с п,3 Порядка проведения работы, зафиксируйте (запишите) полученные значения C1 и Q1.

6. К клеммам «C_X» подключите исследуемый конденсатор. Контур вновь настройте в резонанс, произведите калибровку и зафиксируйте значения С2 и Q2. ВНИМАНИЕ! При работе на шкалах Q "300" и "1000" необходимо предварительно включить переключатель «ΔQ – Q» в положение «ΔQ» и ручкой «Нуль Q» установить стрелку указателя Q на отметку «О».

7. После выполнения всего объема испытаний для завершения работы необходимо выполнить следующие операции.

7.1. Снять образцовую катушку индуктивности и уложить ее в контейнер.

7.2. Отключить образцы от прибора.

7.3. Получить разрешение преподавателя на окончание работы.

7.4. Выключить питание прибора тумблером "СЕТЬ".

Обработка результатов измерений

1. В случае использования плоских образцов диэлектрическая проницаемость может быть вычислена по формуле

ε=14.4C_Xh/D² (3.4)

где h - толщина образца, см; D - диаметр измерительного электрода, см; С_X — емкость, пФ.

2. Расчет погрешностей измерения е и tg5 ведется по формулам

(3.5)

(3.6)

где С_Х = С₁-С₂ (3.7)

и ΔCX- = ΔC₁ +Δ C₂. (3.8)

3. Графики зависимостей выполняются на миллиметровой бумаге.

Контрольные вопросы

1. Объясните методику проведения эксперимента.

2. Объясните, как изменятся полученные зависимости при изменении температуры окружающей среды.

3. Что такое диэлектрическая проницаемость (абсолютная, относительная, диэлектрическая проницаемость вакуума) и какова ее зависимость от внешних факторов (температуры, частоты, напряженности электрического поля)?

4. Дайте характеристику быстрых и медленных видов поляризации диэлектриков.

5. Назовите виды диэлектрических потерь в полярных и неполярных диэлектриках.

6. Дайте характеристику исследованных материалов, опишите технологию их получения, основные свойства, области применения.

ЛИТЕРАТУРА

Лабораторная работа № 4

ПРОБОЙ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы - изучение стандартных методов определения пробивного напряжения (электрической прочности) жидких диэлектриков (электроизоляционных материалов) на переменном токе (частоты 50 Гц) и определение электрической прочности образцов жидких диэлектриков зависимости от различных условий окружающей среды.

Домашнее задание Изучите:

1) физические основы и характерные черты явления электрического электротеплового пробоя жидких диэлектриков;

2) влияние условий окружающей среды на электрическую прочность
жидких диэлектриков;

3) стандартные методы определения пробивного напряжения жидких
диэлектриков на переменном токе и работу на установке для определения пробивного напряжения;

4) требования к образцам для определения электрической прочности
жидких диэлектриков;

5) порядок проведения обработки результатов испытаний и оформления протокола по работе,

Описание лабораторной установки

Принципиальная электрическая схема установки для испытания жидких диэлектриков на пробой показана на рис. 4.1.

Рис. 4.1 - Схема установки для испытания жидких диэлектриков на пробой

Пробой жидких диэлектриков проводится в стандартной ячейке Ячейка представляет собой сосуд емкостью 500 см³, выполняемый из электроизоляционного материала (обычно фарфора).В ячейке располагаются плоские с закругленными краями дисковые электроды Э, расстояние (промежуток) между которыми может изменяться. При стандартных испытаниях устанавливается промежуток 2,5 мм. Электроды подключаются к выводам высоковольтной обмотки испытательного трансформатора.

Испытательный высоковольтный трансформатор Тв мощностью 3 кВА позволяет получать напряжение 50 или 60 кВ. Высоковольтная обмотка трансформатора имеет заземленную среднюю точку. На стороне низкого напряжения Тв включен вольтметр V, отградуированный в эффективных значениях высокого напряжения (в киловольтах).

На низковольтную обмотку трансформатора с вторичной обмотки регулировочного трансформатора Тр подается напряжение, величина которого может увеличиваться оператором с требуемой скоростью перемещением движка Д. Отключение трансформатора Тв после пробоя.

Рабочее задание

1. Определите пробивное напряжение U_пр трансформаторного масла стандартном разряднике при расстоянии между электродами h = 2,5 ми Выполните 6 пробоев; для совокупности из 5 значений U_прi - (значение U_пр 1-го пробоя не учитывают) рассчитайте: средние арифметические значения U E_пр.ср стандартные отклонения S(U_np), S(E_np), 90%-ные доверительные интервалы I(U_np), I(E_np) и коэффициент вариации К_ВАР. Если K_ВАР < 20%, то качество диэлектрика можно считать удовлетворительным.

Если полученное значение K_ВАР > 20%, то выполните ещё 6 пробоев и требуемые расчеты по п.1 Рабочего задания для совокупности U_ПРi из 11 значений. Если и в этом случае K_ВАР >20%, то качество диэлектрика считается неудовлетворительным.

2. Постройте график разброса значений пробивных напряжений и дайте. ему письменное объяснение.

3. Сравните полученные значения U_пр.ср с данными, которые приведены в табл. 4.1.

Порядок проведения работы

1. Убедитесь в том, что установка отключена от сети и ее корпус надежно заземлен. Открыв крышку аппарата, ознакомьтесь с устройством испытательной камеры.

2. Установите, используя калибр, требуемое расстояние h (мм) между электродами разрядника. Для перемещения электродов по резьбе в нужном направлении следует пользоваться металлическим стержнем, не касаясь руками внутренней поверхности сосуда и электродов.

3. Исследуемый жидкий диэлектрик залейте в сосуд с электродами так, чтобы расстояние между поверхностью жидкости и верхним краем электродов было не менее 15 мм.

УКАЗАНИЕ. Перед заливкой сосуда жидким диэлектриком трижды ополосните его испытуемым диэлектриком, что уменьшит разброс пробивных напряжений.

Установите заполненный жидкостью сосуд в испытательной камере
так, чтобы выводы электродов поместились в гнездах клемм испытательного
трансформатора; закройте крышку камеры и дайте отстояться жидкости в
течение 10 мин.

Произведите первый пробой под наблюдением преподавателя. При
проведении испытаний на пробой необходимо действовать в следующем
порядке.

Передвиньте движок регулировочного трансформатора, находящийся на передней стенке колонки, в крайнее нижнее положение.

Включите вилку кабеля питания в сетевую розетку.

4. Включите реле максимального тока, переводя его рычажок, расположенный на правой стенке колонки, в верхнее положение.

5. Плавно передвигая вверх движок регулировочного трансформатора,
повышайте напряжение со скоростью 2-5 кВ/с. Величину напряжения
фиксируйте по вольтметру. При полном пробое жидкости между
электродами образуется сплошная яркая искра, и фиксируемое по вольтметру напряжение уменьшается до нуля. Частичные пробои, щелчки, легкое потрескивание, наблюдаемые в межэлектродном пространстве, или дрожание стрелки вольтметра во внимание не принимаются.

Максимальное напряжение перед моментом пробоя фиксируется как пробивное U_np.

ВНИМАНИЕ. Если пробой происходит при низком напряжении, то реле максимального тока может не сработать. Между электродами образуется электрическая дуга, что приводит к интенсивному разложению диэлектрика и загрязнению продуктами разложения жидкости и поверхности электродов. В этом случае следует немедленно отключить питание регулировочного трансформатора переводом рычажка реле в нижнее положение.

При пробое некоторых синтетических жидких диэлектриков (например, хлорированных или фторированных углеводородов) наблюдается значительное снижение U_пр по мере увеличения числа пробоев в одном и том же объеме жидкости вследствие ее разложения при пробое. Поэтому при испытании таких жидких диэлектриков для каждого последующего пробоя используется новая порция жидкости.

6. После каждого пробоя жидкости необходимо выполнить следующие операции.

6.1. Движок регулировочного трансформатора перевести в крайнее нижнее положение.

6.2. Отключить установку от сети и открыть крышку испытательной камеры.

6.3. Используя чистый сухой стеклянный стержень или калибр, осторожно перемешать жидкость в промежутке между электродами для удаления продуктов разложения.

6.4. Перед каждым последующим пробоем сделать выдержку в течение 5

минут для того, чтобы масло отстоялось.

Обработка результатов измерений

1. Протокол испытаний должен содержать данные, перечень которых приведен в приложении 1.

2. Электрическая прочность E_пр (МВ/м или кВ/мм) рассчитывается по экспериментально найденному значению Unp (MB или кВ) по формуле

(4.1)

3. Средние арифметические значения U_пр.ср. E_пр.ср стандартные отклонения S(U_np), S(E_np), 90%-ные доверительные интервалы I(U_пр),I(E_np) и коэффициент вариации K_Bap рассчитываются по формулам, приведенным в приложении 2.

4. При построении графика разброса U_np (или Е_пр) отображают зависимость значений U_пр.ср, суммы U_пр.ср + /I(U_пр) и разности U_пр.ср-I(U_пр) от порядкового номера опыта (от №1 до №6 или до №12). При построении соседние точки соединяют прямыми линиями.

5. При выполнении п.З Рабочего задания сопоставьте опытные данные с данными приведенной ниже таблицы.

Контрольные вопросы

1. Какие факторы влияют на пробивное напряжение трансформаторного масла?

2. Как зависит пробивное напряжение увлажненного и сухого трансформаторного масла от температуры?

3. Какие методы очистки и регенерации трансформаторного масла вам

известны?

Лабораторная работа № 5

ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Цель работы - изучение стандартных методов определения электрической прочности твердых диэлектриков (электроизоляционных материалов) на переменном (частоты 50 Гц) и постоянном токе и определение электрической прочности образцов диэлектриков в зависимости от условий окружающей среды.

Домашнее задание

Изучите:

1) физические основы и характерные черты явления электрического, электротеплового и электрохимического пробоя твердых диэлектриков;

2) влияние условий окружающей среды при испытании на величину электрической прочности;

3) стандартные методы определения электрической прочности твердых диэлектриков на переменном и постоянном токе и работу на установке для определения электрической прочности;

4) требования к образцам для определения электрической прочности диэлектриков;

5) порядок проведения обработки результатов испытаний и оформления протокола по работе.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из высоковольтного испытательного трансформатора ВТ, к вторичной обмотке которого посредством нижнего наглухо заземленного (НЭ) и верхнего (ВЭ) электродов через ограничивающий при пробое ток водяной резистор R подключается испытуемый образец ИО (Схема А). При определении электрической прочности на постоянном токе в цепь вторичной обмотки ВТ включается высоковольтный диод VD и сглаживающий пульсации тока высоковольтный конденсатор С (Схема В).

Трансформатор ВТ, образец ИО и токоведущие части установки, которые во время испытания находятся под высоким потенциалом, размещены в помещении, защищенном заземленным металлическим ограждением. На двери ограждения смонтирован контакт ДК, который при открывании двери отключает установку от сети. Включение установки и проведение испытаний возможно только при закрытой двери ограждения.

Если дверь закрыта, то при включении щитового выключателя ВЩ загорается сигнальная лампа СЛ1, высвечивая надпись "УСТАНОВКА ВКЛЮЧЕНА". Одновременно подается напряжение на устройство управления СУ электродвигателя, являющегося приводом подвижных контактов автотрансформатора AT. При замыкании кнопки Пуск магнитного пускателя на его обмотку ОП подается напряжение; контакты КП и блокирующие кнопку Пуск вспомогательные контакты ВК пускателя замыкаются, автотрансформатор AT включается в сеть, загорается сигнальная лампа СЛ2 и на пульте высвечивается красный сигнал "ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПОДАНО". Замыканием кнопки К включают питание трансформатора ВТ и двигателя ЭД. Напряжение на образце ИО автоматически плавно увеличивается со скоростью 500 В/с.

В момент пробоя контакты КР реле максимального тока ОР размыкаются, питание трансформатора AT отключается, а двигатель ЭД автоматически возвращает подвижные контакты трансформатора AT в нулевое (начальное) положение, обмотка ОР обесточивается и контакты КР замыкаются. Подача напряжения на образец ИО прерывается, если отжать кнопку К, или нажать кнопку Стоп пускателя, или открыть дверь ограждения.

Рабочее задание

1. На переменном токе снимите при плоских электродах зависимость пробивного напряжения U_ПР для лакоткани от температуры в интервале от комнатной до 100 °С, проведя испытания при пяти температурах Ti; при каждой Ti проведите пять пробоев. Рассчитайте среднее значение электрической прочности E_пр.ср. стандартное отклонение SЕ_пр, 90%-ные доверительные интервалы I(E_пр)- Постройте график зависимости E_пр.ср.(Ti) нанесите на него границы доверительных интервалов.

2. На переменном токе снимите зависимость U_пр пропитанной минеральным маслом конденсаторной бумаги от толщины образца h, выполнив пробой при плоских электродах образцов из 2, 4, 6, 8, 10 и 12 листов. На каждом образце проведите не менее пяти пробоев. Рассчитайте для U_np и E_пр средние значения, стандартные отклонения и 90%-ные доверительные интервалы. Постройте графики U_пр.ср., E_пр.ср. и нанесите на них границы доверительных интервалов.

3. На переменном токе для образца из шести листов пропитанной минеральным маслом конденсаторной бумаги снимите зависимость U_пр от времени приложения напряжения (времени до пробоя, экспозиции) t. Для этого найденное при выполнении п.2 Рабочего задания значение U_пр.ср. пакета из шести листов посчитайте "мгновенным" U_{пр.ср.мгн}. Далее определите значения времени до пробоя (в секундах) при приложении к образцу напряжений, равных 95, 85 и 80% от U_{пр.ср.мгн}. Постройте график зависимости U_пр.ср. (t) и рассчитайте электрическую прочность образца при "бесконечной" выдержке.

Порядок проведения работы

Работа ведется при напряжениях, опасных для жизни, и требует строгого выполнения правил по технике безопасности. Перед началом работы следует ознакомиться с устройством установки, типовым заданием, приведенным в работе, указаниями преподавателя по его выполнению. Начинать работу на установке можно только по разрешению преподавателя. Входить в помещение, защищенное металлическим ограждением можно, лишь выключив выключатель ВЩ на щите. Категорически запрещается закрывать дверь ограждения, когда внутри есть люди.

1. Подготовьте образцы лакоткани и конденсаторной бумаги для испытаний. С помощью автоматического микрометра измерьте в пяти местах толщину лакоткани и рассчитайте среднее h_ср ее значение. Толщину h пакета конденсаторной бумаги рекомендуется вычислять по известной толщине h_ср1 одного листа и числу листов в пакете. Средняя толщина h_cp1 определяется по средней толщине h_cp8 пакета из восьми листов, измеренной в пяти местах с помощью автоматического микрометра. Измерение толщины пакета из восьми листов следует проводить на участках, где отсутствуют морщины и складки.

2. Схема установки смонтирована, и в процессе работы необходимо собрать только высоковольтную часть схемы, находящуюся в помещении защищенном ограждением.

Для определения U_np лакоткани следует контакт на водяном резисторе, присоединить к высоковольтному вводу на термостате; для определения U_np, конденсаторной бумаги резистор R соединяется с верхним электродом ВЗ Образец лакоткани размещается между электродами в термостате таки образом, чтобы был заранее известен порядок перемещения электродов по образцу в ходе определения U_np при выбранных температурах. Образец конденсаторной бумаги помещается на плоскую хромированную поверхность заземленного нижнего электрода НЭ. Для устранения газовых включений большого объема между листами рекомендуется пригладить, притереть пакет к электроду. Верхний электрод во избежание перекрытия образца по поверхности должен размещаться от края образца и от отверстий образовавшихся при предыдущих пробоях, на расстоянии 20-30 мм, и не должен размещаться на участках образца с ярко выраженным механическими дефектами - складками и газовыми включениями больших объемов.

При определении U_np лакоткани при повышенной температуре следует установить регулятор температуры термостата на требуемую температуру, после нагрева обеспечить выдержку при этой температуре в течение 10-15 минут. Пробой образца проводят по истечении выдержки.

3. Включите щитовой выключатель ВЩ, установите переключатель пределов ПВ вольтметра В на наименьший предел, кнопкой ПУСК пускателя включите питание автотрансформатора AT. Кнопкой К включите питание первичной обмотки трансформатора ВТ и при нажатой кнопке наблюдайте за увеличением напряжения по вольтметру В, при необходимости изменяя переключателем ПВ пределы его измерения. Момент пробоя сопровождается характерным звуком в области, где расположен образец, и резким уменьшением напряжения, фиксируемого по вольтметру. В качестве U_np следует зафиксировать наибольшее показание вольтметра В перед моментом пробоя.

После пробоя необходимо зафиксировать по вольтметру В напряжение, равное нулю, нажать кнопку Стоп, выключить выключатель ВЩ, открыть дверь ограждения. Только после выполнения таких операций можно входить в защищенное ограждением помещение и производить перемещения электродов на образце или изменять схему включения образца. Предварительно следует осмотреть образец конденсаторной бумаги, установив место пробоя (под электродом или на краю), и отметить это в протоколе испытаний.

4. При снятии зависимости времени до пробоя от величины приложенного к образцу напряжения следует разместить образец между электродами, установить с помощью устройства управления при отжатой кнопке К напряжение по вольтметру В, равное одному из выбранных (95, 85 или 80%) от U_{пр.ср.мгн.} обеспечить возможность включения электронного секундомера при нажатии (включении) кнопки К. Далее, необходимо включить кнопку К и провести измерение времени до пробоя; в момент пробоя секундомер автоматически отключается, фиксируя время t до пробоя. В протоколе испытаний следует отметить вызванное действием напряжения изменение в образце: в межэлектродном пространстве и близ электродов.

5. Пробивное напряжение U_np образца, выраженное в мегавольтах (MB) или киловольтах (кВ), определяется по графику - "градуировочной прямой" трансформатора ВТ.

6. После выполнения всего объема испытаний следует отключить резистор R от высоковольтного ввода в термостат или от верхнего электрода ВЭ, выгрузить образцы лакоткани из термостата и оставить его две открытой, убрать использованные образцы лакоткани и кондесаторной бумаги в специальный контейнер, получить разрешение преподавателя на окончание работы.

Обработка результатов измерений

1. Протокол испытаний должен содержать данные, перечень которых приведен в приложении 1.

2. Электрическая прочность £пр (МВ/м или кВ/мм) рассчитывается по экспериментально найденному значению Unf (MB или кВ) по формуле

Enp =Uaj/h. (5.1)

3. Средние арифметические значения U_ПР.СР. и Е_ПР.СР. стандартные отклонения S(U_np), S(E_np), 90%-ные доверительные интервалы I(U_пр) I(E_пр) рассчитываются по формулам, приведенным в приложении 2.

4. Эмпирическая формула зависимости электрической прочности E_np диэлектрика от времени t выдержки его под напряжением имеет вид

(5.2)

где E_ПРБ электрическая прочность при "бесконечной" выдержке;

А- постоянные, характерные для данного материала и условий испытания.

По построенной зависимости E(t) значения E_прб, A и р можно найти, например, решением системы из трех уравнений, в левой части которых содержатся значения E_np(t1), Е_ПР(t2) и Е_пр(t3) а правые соответствуют временам t1, t2 и t3.

Контрольные вопросы

1. Что такое электрическая прочность диэлектриков?

2. Каковы физические основы явления пробоя твердых диэлектриков?

3. Приведите характерные черты электрического и электротеплового пробоев?

4. Почему в электрическом поле диэлектрик "стареет"?

5. Почему электрическая прочность диэлектрика (электроизоляционного материала) является случайной величиной?

6. Почему форма электродов влияет на величину экспериментально определяемой электрической прочности?

7. Объясните принцип работы установки для определения пробивных напряжений образцов твердых диэлектриков.

8. Почему определение электрической прочности стандартизовано?

9. Кратко опишите свойства конденсаторных бумаг и лакотканей.

ЛИТЕРАТУРА

Лабораторная работа № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Цель работы - изучение стандартных методов определения удельной электрической проводимости полупроводников при различных температурах, вычисление энергии активации носителей заряда и изучение влияния температуры на вид вольтамперной характеристики системы металл-полупроводник.

Домашнее задание

1. Изучите физические основы и характерные черты явления электропроводности полупроводников.

2. Объясните влияние температуры Т на процесс электропроводности величину удельной проводимости σ полупроводников на примере зависимости ln σ = F(l/T).

3. Дайте объяснение характеру изменения вольт-амперной характеристики системы металл-полупроводник при изменении температуры.

4. Объясните сущность двухзондового метода измерения удельной проводимости.

5. Изучите требования к образцам полупроводников при измерении проводимости зондовым методом, порядок проведения обработки результатов испытаний и оформления протокола по работе.

Описание лабораторной установки

Схема установки для измерения удельной проводимости полупроводников и вольт-амперной характеристики р-п перехода
приведена на рис. 6.1. В установке использован двухзондовый метод измерения проводимости в компенсационной схеме, обеспечивающий малую погрешность измерений. Однородные полупроводниковые образцы (из германия и кремния) изготовлены в виде брусков прямоугольного сечения, на их торцевые поверхности нанесены токовые омические контакты. Величина тока, протекающего через образец, устанавливается по миллиамперметру (мА). На одной из поверхностей образца вдоль линий тока установлены два зонда А и В, выполненные в виде тонких игл из вольфрама, расстояние L (м) между иглами измеряется с малой погрешностью.

рис. 6.1. Схемаустановки для измерения удельной проводимости полупроводников и снятия вольт-амперной характеристики системы "металл-полупроводник"

Падения напряжения U_X на сопротивлении R_X между точками А и В образца и U₀ на эталонном резисторе R₀ измеряются потенциометром ПТ.

Величину RX (Ом) и удельную проводимость образна σ (1/(Ом-м)) с учетом соотношения Ux/Rx= u0/r0 рассчитывают по формуле

где S - площадь поперечного сечения образца (бруска), м².

Измерения рекомендуется проводить при разных направлениях тока, протекающего через образец. Этим исключается влияние собственной электродвижущей силы образца UC которая может возникать, например, вследствие неравномерного нагрева образца. При одном направлении тока потенциометр ПТ зарегистрирует значение напряжения, равное (Ux + Uc), при противоположном (Ux - Uc); полусумма этих значений равна Uc. В зависимости от величины допустимой погрешности измерений производится четное, большее двух, число измерений. Погрешность измерения для двухзондового метода на образцах правильной геометрической формы не превышает (1-3)% и зависит в основном от погрешности измерений геометрических размеров образца и расстояния между зондами.

Падение напряжения на образце Ux и образцовом резисторе U0 измеряются потенциометром ПТ (рис.6.1.) типа Р363-3.

При измерении удельной проводимости образцов сдвоенным переключателем П1 изменяют направление измеряемого миллиамперметром мА тока, протекающего по резисторам R0 RSi или RGe соответственно полярность зондов на образцах, подключаемых к потенциометру П2. Переключателем П3 к потенциометру подключаются зонды, располагаемые либо на кремнии (A1Bt), либо на германии (A2B2).

Переключателем hi образец германия можно подключить к электронному осциллографу ЭО для наблюдения вольт-амперной
характеристики р-п перехода, образующегося на границе раздела полупроводник - вольфрамовая (металлическая) игла. На пластины X осциллографа с обмотки трансформатора Т подается напряжение, равное напряжению, приложенному к образцу; на пластины Y - падение напряжения на резисторе R2, пропорциональное току, протекающему через образец.

Рабочее задание

Определите изменение удельной электрической проводимости σ германия (кремния) при изменении температуры от комнатной до 150 °С (через интервалы температур, указанные преподавателем); при каждой из выбранных Ti температур необходимо выполнить b измерений проводимости σj(Ti) образца, (обычно b > 5);

Зафиксируйте (нарисуйте) с экрана осциллографа вольт-амперные характеристики (ВАХ) р-п перехода контакта полупроводник - вольфрамовая игла при комнатной температуре и при 150 °С в одних координатах. Объясните причину смещения прямой и обратной ветвей ВАХ.

По данным п.1 Задания постройте график зависимости Inσ = F(1/T) и рассчитайте ширину запрещенной зоны и значение энергии активации на участке примесной электропроводности в исследуемом полупроводнике.

Рассчитайте и постройте график зависимости концентрации N носителей заряда в образце от температуры Т в координатах Y=ln(N), Х=1/T, используя данные опытные и приведенные в приложении 4.

Порядок проведения работы

Перед началом работы следует ознакомиться с устройством и схемой установки, рабочим заданием и получить указания преподавателя по его

выполнению. Начинать работу на установке можно только по разрешению преподавателя.

1. Порядок работы при измерении проводимости образцов.

1.1. Тумблером "СЕТЬ" включается стабилизатор напряжения и осуществляется его прогрев в течение 30 минут.

1.2. Переключатели П₁ и П₂ устанавливаются в положение "1", переключатель П₄, - в положение "Ux"-

1.3. На потенциометре ПТ устанавливаются:

а) ручка "АВТОНОМНАЯ ПРОВЕРКА" на отметку "НУЛЬ";

б) ручка "НАПРАВЛЕНИЕ ТОКА" в положение "1";

в) ручка "ХАРАКТЕР ИЗМЕРЕНИЯ" на отметку "X1 ".

	Главная \| Случайная страница \| Контакты \| Мы поможем в написании вашей работы!