Работа №2 Исследование удельных объёмного и поверхностного сопротивлений твердых диэлектриков (Работа №2 «Исследование удельных объёмного и поверхностного сопротивлений твердых диэлектриков»)

Работа 2. Исследование удельных поверхностного и объёмногосопротивлений твёрдых диэлектриковЦель работы: исследование зависимости удельных поверхностного иобъемного сопротивлений от типа диэлектрика и внешних факторов(температуры, напряжения, времени).1. Теоретическая частьВсе твердые диэлектрики обладают электропроводностью, котораяобусловлена ионной и электронной проводимостями материала, причем внормальных условиях определяющей является ионная проводимость, таккак электронная настолько мала, что ею можно пренебречь.Рис. 1Рис. 2Электропроводность диэлектрика измеряют, помещая его междуобкладкамиконденсатора(рис.1).Приподключениипостоянногонапряжения к образцу диэлектрика ток, протекающий через него, сильноменяетсявовремени.Привключениибатареинапряженностьэлектрического поля в диэлектрике изменяется во времени, следовательно,возникает ток смещения, который из-за поляризации диэлектрика в ε разбольше тока смещения в вакууме.

В диэлектрике плотность этого тока:J см  EtТок, протекающий в диэлектрике, состоит:1) из тока сквозной проводимости, или тока утечки. Эта составляющаяпрактически не зависит от времени. Она присутствует в диэлектрикеблагодаря наличию небольшого числа свободных носителей заряда (ионов);2) тока поляризации, включающего в себя ток электронной и ионнойполяризаций, токи релаксационных поляризаций (ионно-, электронно-,дипольно-релаксационных), ток структурной поляризации.Токи электронной и ионной поляризаций протекают очень быстро(10с),… 10токирелаксационныхполяризациейособенноструктурной, протекают значительно медленнее.Ход кривой на участке 0-1 (см. рис. 2) обусловлен протеканием токов,связанных с быстрыми и медленными видами поляризации.

На участке 1-2токи, связанные с быстрыми видами поляризации, быстро исчезают. Научастке 2-3 токи, связанные с медленными видами поляризации, медленноспадают во времени. Их называют токами абсорбции. Спустя определенноевремя остается лишь ток сквозной проводимости.Чтобы учесть лишь ток сквозной проводимости при определенииудельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений, согласнодействующему стандарту измерение сопротивлений диэлектрика проводятспустя минуту после включения батареи. При этом полагают, что токиабсорбции весьма малы и их можно не учитывать.

Поскольку токиабсорбции все-таки присутствуют, измеренное сопротивление всегданесколько меньше истинного.Токпроводимостидиэлектрикаподразделяютнаобъемный,протекающий через диэлектрик, и поверхностный, протекающий по егоповерхности.Соответственноколичественнуюоценкупроводимостидиэлектрика производят по значению удельного объемного и удельногоповерхностногосопротивлений.Удельноеобъемноесопротивлениеколичественно равно сопротивлению куба из данного материала с ребром вединицудлиныпринапряжении,приложенномкдвумегопротивоположным граням.

Удельное объемное сопротивление в СИизмеряется в ом-метрах (Ом•м ) . Часто используются единицы измеренияОм – см = 10-2 Ом – м, а также мкОм – м, которая численно равнаОм * мм2/м.Удельноеповерхностноесопротивлениеколичественноравносопротивлению квадрата любых размеров, выделенного на поверхностиданного материала при напряжении, приложенном к двум противоположнымсторонам этого квадрата. Удельное поверхностное сопротивление в СИизмеряется в омах.Удельноеобъемноеиудельноеповерхностноесопротивлениясущественно зависят от температуры, влажности, приложенного напряженияи времени его воздействия.Зависимость удельного объемного сопротивления от температурыхорошо аппроксимируется экспонентой:v T   Aeb/Tгде А и b – константы для данного материала, которые определяютэкспериментально.

T – абсолютная температура, К.С ростом температуры сопротивление уменьшается, что объясняетсяувеличением числа свободных носителей заряда за счет усилениядиссоциации примесей или основного материала.Напряжение существенно влияет на сопротивление диэлектриков прибольших значениях напряженностей электрического поля. С ростомнапряженности сопротивление падает. Эта зависимость носит нелинейныйхарактер.Влажность оказывает очень сильное влияние на объемное и особеннонаповерхностноесопротивлениедиэлектрика.Приувлажнениисопротивление падает, так как вода сама обладает сравнительно высокойэлектропроводностью и активизирует все загрязнения в материале.Рис.

3аДля измерения удельного объемного и удельного поверхностногосопротивлений применяют стандартную трехэлектродную схему(рис. 3 а, б). Сопротивление измеряют с помощью тераомметра.Образцы твердых диэлектриков представляют собой круглее иликвадратные пластинки, на которые нанесены металлические электроды.Схему, представленную на рис.

6а, используют для измеренияобъемного сопротивления. 1 – электрод в форме диска, на который подаетсяположительный потенциал, 2 – исследуемая пластина диэлектрика,3 – электрод в форме диска, на который подается отрицательныйпотенциал, 4 – электрод в форме кольца, служащий для отводаповерхностной составляющей ионного тока, 5 – тераомметр.При подаче напряжения ток протекает через толщу материала отэлектрода 1 к электроду 3. Охранное кольцо 4 в этой схеме служит дляотвода поверхностной составляющей ионного, тока через диэлектрик.Непосредственноврезультатесопротивление диэлектрика Rv.измеренияопределяютобъемноеРис.

3бУдельное объемное сопротивление (в Ом-метрах) вычисляют поформуле:Sa ra2 v  Rv Rvhhгде S a – контактная поверхность электрода, м2; h – толщина образца,м; ra – радиус электрода 1, м.Схему, представленную на рис. 6б, используют для измеренияповерхностного сопротивления. 1 – электрод в форме диска, на которыйподаетсяположительныйпотенциал,2–исследуемаяпластинадиэлектрика, 3 – электрод в форме диска, служащий для отвода объемнойсоставляющей ионного тока, 4 – электрод в форме кольца, на которыйподается отрицательный потенциал, 5 – тераомметр.Поверхностные токи протекают от электрода 1 к электроду 4.Электрод 3 используется для отвода объемной составляющей тока черездиэлектрик.Врезультатеизмеренияопределяютповерхностноесопротивление диэлектрика R s .

Удельное поверхностное сопротивлениедля электродов кольцевой формы определяют по формуле s  Rs  db  da 22.73 Rs Rsrrdb  d aLn bLg braraгде rb – внутренний радиус электрода 2, м.Стандартныеразмерыэлектродовдляизмеренияудельногообъемного и удельного поверхностного сопротивлений плоских образцовследующие:d a  2 ra  0.05 ; d b  2 rb  0.054 мdc не менее 0.074 м. Согласно ГОСТу сопротивление диэлектриковизмеряют при напряжении 500 и 1000 В. При выполнении лабораторнойработы основные измерения производят при напряжении не выше 100 В.2. Описание лабораторного оборудования.Для измерения величины сопротивления в данной работе используетсятераомметр Е6-13А.

Лицевая панель данного прибора приведена на рис. 4.Где 1 – кнопка включения прибора в сеть2 – установка нулевого значения прибора3 – регулятор установки нулевого значения4 – переключение пределов измерения5 – шкала измерения2. Порядок выполнения работы1. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации тераомметра Е6-13А.2. Ознакомиться с образцами, замерить их толщину h, и размеры электродовra и rb, данные занести в таблицу:№Материал ra, мппrb , мh, мSa,U, R v ,Rs,Pv,Ps,м2В ОмОмОм *Омм3. Включить прибор в сеть нажав кнопку 1 “Сеть вкл”.4. Осуществить калибровку прибора: зажать кнопку 2 “уст.

0” и вращениемрукоятки 3 “уст. 0 точно” добиться установления стрелки прибора назначение “0”.ВНИМАНИЕ! ЗАМЕНА ОБРАЗЦОВ В ИСПТАТЕЛЬНОЙКАМЕРЕ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ КАТЕГОРИЧЕСКИЗАПРЕЩЕНА.Напряжение на электродах отсутствует только при зажатой кнопке “уст. 0”5.

Измерить значения удельного поверхностного электросопротивления дляприведенных образцов. Порядок измерения:5.1. Подключить внешнее кольцо 4 (рис. 3б) измерительной установки кклемме “-” тераомметра, а нижний диск 3 к клемме “Земля” и установитьисследуемый образец между электродами 1 и 3. (Все операции сэлектродами проводятся при зажатой кнопке “уст. 0”.)5.2. Подать напряжение на электроды отключив кнопку 2 “уст. 0”5.3. Путем переключения пределов измерения прибора с помощьюцентральной ручки 4 добиться отклонения стрелки прибора в рабочуюобластьизмерения.Зафиксироватьполученноезначениеэлектросопротивления: если верхний предел измерения (установленныйручкой) кратен 3, то считывание осуществляется по нижней градуировкенижней шкалы, иначе по верхней градуировке нижней шкалы.5.4.

Зажать кнопку 2 “уст. 0”, тем самым сняв напряжение с электродов, изаменить исследуемый образец на следующий. Повторить пункты 5.2, 5.3 и5.4 для остальных образцов.6. Измерить значения удельного объемного электросопротивления дляприведенных образцов. Порядок измерения:6.1 Подключить нижний диск 3 (рис.

6а) к клемме “-” тераомметра, авнешнее кольцо 4 к клемме “Земля” и установить исследуемый образецмежду электродами 1 и 3. (Все операции с электродами проводятся призажатой кнопке “уст. 0”.)6.2 Подать напряжение на электроды отключив кнопку 2 “уст. 0”6.3 Путем переключения пределов измерения прибора с помощьюцентральной ручки 4 добиться отклонения стрелки прибора в рабочуюобластьизмерения.Зафиксироватьполученноезначениеэлектросопротивления: если верхний предел измерения (установленныйручкой) кратен 3, то считывание осуществляется по нижней градуировкенижней шкалы, иначе по верхней градуировке нижней шкалы.6.4 Зажать кнопку 2 “уст. 0”, тем самым сняв напряжение с электродов, изаменить исследуемый образец на следующий. Повторить пункты 6.2, 6.3 и6.4 для остальных образцов.7.

Занести полученные результаты в таблицу.3. Содержание отчета1. Привести схемы измерения сопротивлений.2. Все результаты измерений и расчетов занести в таблицу.3. Кратко объяснить полученные результаты.4. Ответить на контрольные вопросы..