Cwiczenie6.pdf

Ćwiczenie nr 6

Badanie rezystywności dielektryków ciekłych i stałych

1. Wstęp

Dielektryki to ciała stałe, ciekłe i gazowe bardzo słabo przewodzące prąd elektryczny.

Rezystywność dielektryków jest większa od 10 6 Ω⋅m. W dielektryku nie ma swobodnych

elektronów, nie występuje więc przewodzenie elektronowe, jak ma to miejsce w metalach.

Przewodzenie ma charakter jonowy. Jest zależne od liczby jonów w jednostce objętości oraz

ich ruchliwości. Wielkości te są zależne od natężenia pola elektrycznego oraz czynników

dysocjujących. Dielektryki znajdują szerokie zastosowanie w elektrotechnice jako materiały

izolacyjne.

Rezystywność – inaczej opór elektryczny właściwy, charakteryzuje w sposób

ilościowy zdolność materiału do przewodzenia prądu elektrycznego. Jest to opór elektryczny

odniesiony do wymiarów geometrycznych próbki. Jednostką rezystywności jest Ω⋅m. W

przypadku dielektryków rezystywność jest podstawowym parametrem, charakteryzującym

właściwości izolacyjne. Jest również pomocna w ocenie stanu materiału, np. stopnia

degradacji, czy zawilgocenia.

Pod wpływem przyłożonego napięcia, przez dielektryk płynie niewielki prąd, zwany

prądem upływu. Przepływ tego prądu, w przypadku dielektryków stałych, odbywa się dwiema

drogami: na wskroś oraz po powierzchni (rys.1.). W związku z tym rozróżnia się

rezystywność skrośną ρ v oraz rezystywność powierzchniową ρ s . Rezystywność

powierzchniową określa się tylko dla dielektryków stałych. Rezystywność skrośna jest cechą

materiałową, natomiast rezystywność powierzchniowa zależy nie tylko od rodzaju materiału,

ale także od stanu powierzchni, jej czystości, chropowatości oraz wilgotności.

Rys.1. Drogi przepływu prądu przez dielektryk; 1 – dielektryk, 2 – prąd skrośny,

3 – prąd powierzchniowy

Wyznaczenie rezystywności skrośnej i powierzchniowej wymaga odseparowania

prądu skrośnego i powierzchniowego. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu trójelektrodowego

układu pomiarowego (rys.2.). Rezystywność wyznacza się z rezystancji i wymiarów

geometrycznych. Rezystancję natomiast wyznacza się metodą techniczną jako iloraz napięcia

i prądu.

E 1

E 2

Próbka

E 1

E 2

Próbka

E 3

I V

I s

I x

Pomiar rezystywności skrośnej:

E 1 – elektroda pomiarowa (krążek),

E 2 – elektroda ochronna (pierścień),

E 3 – elektroda napięciowa (krążek).

Pomiar rezystywności powierzchniowej:

E 1 – elektroda pomiarowa (krążek),

E 2 – elektroda napięciowa (pierścień),

E 3 – elektroda ochronna (krążek).

Rys.2. Układ elektrod oraz schemat układu pomiarowego do wyznaczania rezystywności skrośnej (a)

i powierzchniowej (b) dielektryków stałych

Rezystywność skrośna ρ v – stosunek napięcia stałego przyłożonego do elektrod, do

wartości ustalonej natężenia prądu płynącego na wskroś próbki, odniesiona do powierzchni

elektrody pomiarowej S i grubości próbki d :

 ⋅

Ω



[ ]

⋅





Ω

⋅

Rezystywność powierzchniowa ρ s – stosunek napięcia stałego przyłożonego do

elektrod, do wartości ustalonej natężenia prądu płynącego po powierzchni próbki, odniesiona

do długości elektrod l i odległości między nimi t :

⋅

( )

 ⋅

Ω



[]

Ω





W przypadku dielektryków ciekłych do wyznaczania rezystywności stosuje się układ

trójelektrodowy w postaci naczynia złożonego z walców koncentrycznych – jak pokazano na

rysunku 3.

Elektroda

ochronna

Elektroda

napięciowa

Elektroda

pomiarowa

dielektryk

ciekły

Rys.3. Naczynie do wyznaczania rezystywności dielektryków ciekłych

Jeżeli powierzchnia elektrody S oraz odległość elektrod d nie są znane, można

wyznaczyć ich stosunek na podstawie pojemności geometrycznej układu pomiarowego C 0 ,

którą można zdefiniować jako:

ε= ,

stąd

S = ,

a więc

⋅

Pojemność geometryczna C 0 jest pojemnością danego układu po usunięciu

dielektryka, kiedy miedzy elektrodami znajduje się próżnia. W praktyce, w celu wyznaczenia

pojemności geometrycznej, wykonuje się pomiar pojemności układu po zastąpieniu

dielektryka powietrzem. Takie uproszczenie jest uzasadnione, ponieważ przenikalność

elektryczna powietrza jest bardzo zbliżona do przenikalności elektrycznej próżni.

Rezystywność wyznacza się przy napięciu stałym, dla wartości ustalonej prądu I u .

Jednak, po przyłożeniu napięcia stałego do dielektryka wartość prądu nie jest stała.

Poszczególne składowe prądu pokazano na rysunku 4. Zmiany prądu związane są z

ładowaniem pojemności geometrycznej ( i g ) oraz zjawiskami polaryzacyjnymi w materiale

dielektrycznym ( i a ). Składowa związana z ładowaniem pojemności geometrycznej jest

praktycznie niezauważalna, ze względu na bardzo szybki czas zaniku (t 1 = 10 -15 -10 -12 s).

Składowa związana ze zjawiskami polaryzacyjnymi może zanikać, w zależności od rodzaju

materiału, w ciągu sekund lub nawet dziesiątków godzin. Przy pomiarze rezystywności

dielektryków należy zwrócić uwagę, czy prąd osiągnął wartość ustaloną. Jeżeli czas ustalania

się prądu jest zbyt długi - nie podaje się jednej wartości rezystywności. Materiał

elektroizolacyjny charakteryzuje się wówczas zależnością chwilowej rezystancji od czasu.

Często badanym wskaźnikiem jakości izolacji jest współczynnik absorpcji

definiowany jako R 15 /R 60 – stosunek rezystancji izolacji po 15 i 60 sekundach od przyłożenia

napięcia stałego.

i g

I u

i a

Rys.4. Zależność prądu płynącego przez dielektryk od czasu jego przepływu; I u - prąd upływu,

i a - prąd absorpcji, i g - prąd ładowania pojemności geometrycznej

t 1

Rezystywność skrośna dielektryków maleje ze wzrostem temperatury, w wyniku

zwiększenia jonizacji. Zależność rezystywności od temperatury (dla analizowanego zakresu

temperatury) można opisać za pomocą równania:

exp





−

E a

⋅

∆





gdzie:

ρ - rezystywność w temperaturze T 1 ,

ρ - rezystywność w temperaturze T 2 ,

E a - energia aktywacji,

k- stała Boltzmana,

∆ =





−





uwaga: temperatura w stopniach Kelwina!









Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: