Основные сведения из теории. В любом материале наблюдается явление электропроводности

В любом материале наблюдается явление электропроводности. Наименьшей электропроводностью обладают диэлектрики, т.е. в них протекают очень малые токи, даже под действием высокого напряжения (от 500В и выше). У диэлектриков различают два вида электропроводности: объемную, которая определяется током объемной утечки I_V, и поверхностную, обусловленную током поверхностной утечки I_S. В соответствии с этим различают два вида удельных сопротивлений – объемное ρ_V и поверхностное ρ_S.

Удельное объемное сопротивление ρ_V количественно определяет способность диэлектрика пропускать электрический ток через свой объем, его измеряют в Ом·м. Удельное объемное сопротивление может быть положено в основу распределения всех электротехнических материалов на три основные группы: проводники, полупроводники, диэлектрики. У проводниковых материалов величина удельного объемного сопротивления составляет 10^-6 ÷ 10^-4, у полупроводников 10^-4 ÷ 10¹⁰, у диэлектриков 10¹⁰ ÷ 10¹⁸ и выше.

Удельное поверхностное сопротивление ρ_S определяет способность пропускать электрический ток по поверхности диэлектрика. Удельное поверхностное сопротивление измеряют в Ом.

При рассмотрении процессов электропроводности диэлектриков пользуются также величиной, обратной удельному сопротивлению, которая называется удельной проводимостью γ. Удельная объемная проводимость вычисляется по формуле (1.1) и выражается Ом^-1·м^-1или См·м^-1:

. (1.1)

Удельная поверхностная проводимость измеряется в Ом ^-1 и выражается формулой (1.2):

. (1.2)

Объемная электропроводность обусловлена свойствами самого диэлектрика. Поверхностная электропроводность обусловлена присутствием на поверхности диэлектрика влаги и различных загрязнений. Поскольку вода отличается значительной электропроводностью, то достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы была обнаружена заметная электропроводность, определяемая в основном толщиной увлажненного слоя. Поскольку толщина адсорбированного слоя и его сопротивления связаны с природой материала, на поверхности которого находится этот слой, поверхностную электропроводность рассматривают как свойство самого диэлектрика. Поверхностная электропроводность тем ниже, чем меньше полярность вещества, чем чище поверхность диэлектрика и чем лучше она отполирована. Наиболее высокими значениями поверхностного сопротивления обладают неполярные диэлектрики, поверхность которых не смачивается водой (полиэтилен, фторопласт-4). Такие диэлектрики называют гидрофобными.

Пониженное значение поверхностного сопротивления можно наблюдать у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита (керамика, резина, стекло). Такие диэлектрики называют гидрофильными. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков легко прилипают различные загрязнения.

Гигроскопичность волокнистых материалов, имеющих объемно-пористую структуру, будет выше, чем керамики, покрытой кремнийорганическими лаками. Адсорбция на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Особенно резкое увеличение поверхностной электропроводности наблюдается при относительной влажности, превышающей 70-80%.

На поверхности гидрофильного (смачиваемого) диэлектрика адсорбированная влага распределяется тонким непрерывным слоем, а на поверхности гидрофобного (несмачиваемого) диэлектрика влага распределяется отдельными участками.

Образовавшийся на поверхности увлажненный и загрязненный слой имеет небольшое сопротивление, следовательно, поверхностный ток утечки может быть достаточно большим. Поверхностный ток утечки может нагреть поверхность диэлектрика до температуры более 100⁰С. При такой температуре происходит вскипание воды на поверхности диэлектрика, образование микротрещин и разрушение поверхностного слоя изоляции. Для защиты поверхности гидрофильных материалов применяют грязестойкие глазури и кремнийорганические лаки.

В системе СИ удельное объемное сопротивление ρ_V численно равно сопротивлению куба ребром в 1 м, вырезанного из исследуемого материала, если ток проходит сквозь куб от донной его грани к противоположной. Если для измерения берется не куб, а плоский образец материала, то при однородном поле удельное объемное сопротивление рассчитывается по формуле (1.3):

(1.3)

где R_V - объемное сопротивление образца (Ом), S – площадь электрода (м²), h - толщина образца (м).

Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата любых размеров, выделенного на поверхности исследуемого материала, если ток проходит через квадрат от одной его стороны до противоположной. Если для измерения берется не квадрат, а прямоугольник, то удельное поверхностное сопротивление рассчитывается по формуле (1.4):

(1.4)

где R_S поверхностное сопротивление образца материала между параллельно поставленными электродами шириной d, отстоящими друг от друга на расстоянии l.

Величина сопротивления изоляции, характеризующая полное сопротивление диэлектрика R_из находится по формуле (1.5):

. (1.5)

Проводимость диэлектриков, как и сопротивление их изоляции R_из, не является постоянной величиной. Они зависят от величины приложенного к образцу напряжения, температуры окружающей среды и влажности. Как правило, при увеличении приложенного напряжения и температуры проводимость диэлектриков увеличивается, а сопротивление изоляции R_из уменьшается. Проводимость также увеличивается с увеличением влажности.

При длительной работе под напряжением ток утечки через твердые и жидкие диэлектрики с течением времени может уменьшаться или увеличиваться. Уменьшение тока со временем говорит о том, что электропроводность материала была обусловлена ионами посторонних примесей и уменьшилась за счет электрической очистки образца. Увеличение тока со временем говорит о протекающем в диэлектрике необратимом процессе старения под действием напряжения. Это старение способно привести к разрушению диэлектрика, т.е. к его пробою.

Оборудование: лабораторный стенд, состоящий из термостата и измерительного прибора - тераомметра, испытуемый образец.

Термостат осуществляет нагрев, автоматическую поддержку температуры образца диэлектрика. Термостат электрически соединен с тераомметром – прибором, измеряющим поверхностное R_s и объемное R_v сопротивления образца.

На рис. 1.1 показана схема подключения электродов термостата при измерении поверхностного R_s и объемного R_v сопротивлений образца диэлектрика.

Рис. 1.1. Схема подключения электродов при измерении R_s и R_v

Приемная кассета термостата выполнена в виде съемного узла и предназначена для подключения электродов диэлектрического образца к измерительной цепи тераомметра и установки в рабочей камере термостата. Схема размещения электродов на образце диэлектрика показана на рис.1.2, параметры электродов и образца диэлектрика представлены в табл. 1.