Электропроводность диэлектриков

Электропроводность диэлектриков определяется обычно на постоянном токе. Наиболее часто используемый метод - метод вольтметра-амперметра: подается постоянное напряжение на испытуемый образец и измеряется ток проводимости. Ток проводимости меняется от времени приложения напряжения (см. рис.), поэтому унифицируют время измерений - 1 мин после приложения напряжения. В случае пленочных образцов, когда испытуемый образец имеет большую емкость, время релаксации накопленного заряда образцом может быть большим, тогда приходится проводить измерения при большем времени выдержки до 3 или пяти минут, с тем, чтобы время релаксации образца было заведомо (не менее 10 раз) ниже, чем время измерений.

Уменьшение тока проводимости со временем обусловлено процессами поляризации, электролизом ионов примесей, концентрацией и подвижностью которых определяется проводимость. Это явление называется также “электроочисткой”. В процессе электролиза в приэлектродных областях формируются объемные заряды, обуславливающие приэлектродную поляризацию, снижающую напряженность поля внутри образца. Таким образом, наиболее верные с физической точки зрения являются показания электропроводности в первый момент после приложения напряжения при условии если постоянная времени прибора значительно ниже времени релаксации заряда образца. Это достигается при измерениях тока баллистическим гальванометром или другим электромеханическим гальванометром. При чувствительности гальванометров порядка 1 нА таким образом можно измерять только диэлектрики с небольшим r_v , порядка 10¹⁰ Ом.м. Более высококачественные диэлектрики приходится измерять электронными приборами, у которых входное сопротивление доходит до 10¹² Ом (у электромеханических гальванометров входное сопротивление около 100 Ом).

Таким образом, определяемые значения r_v являются в некотором роде условными, это “значения, определенные при 1 мин выдержке”.

При физических исследованиях r_v иногда определяют по остаточному току - это значение r_v при длительной выдержке под напряжением до достижения независимости тока от времени измерений. По временной зависимости тока i(t) можно рассчитать время релаксации заряда t=RC и, при желании, диэлектрические потери при низких частотах при времени после приложения поля t:

e“=i(t)/(2pfE)

частота (в Гц) f=0,1/t, Е-напряженность приложенного поля.

Схема установки для проведения измерений r_v приведена ниже.

2 5

4

1 3

6 7 8

Рис. Схема установки для измерения r_v твердых диэлектриков

1- источник постоянного напряжения, 2 - “высоковольтный электрод”, 3- измерительный электрод, 4-охранный электрод, 5 - образец (заштрихован), 6-входное соспротивление, 7-усилитель малых постоянных токов, 8-показывающий прибор (измерительная головка)

Установка для измерений состоит из источника постоянного тока, измерителя тока. Источники постоянного тока - обычно выпрямители; рекомендуемые напряжения 10,100,500, 1000 В.

В качестве измерителей тока используют гальванометры, нано- или пико-амперметры, в том числе с электронным усилением сигнала. Наиболее чувствительные и надежные приборы - с преобразованием постоянного тока в переменный с использованием, например, динамического конденсатора. Используют также входные каскады с электрометрическими лампами или с полевыми транзисторами с изолированным затвором.

Измерительные приборы тераомметры, гигаомметры. Они содержит электронный усилитель малых токов и источник постоянного напряжения (например,100 В). На входе прибора имеется переключатель калиброванных сопротивлений R. Ток измеряют по падению напряжения на калиброванных сопротивлениях. Калибровка шкалы тераомметра дана в Омах, т.е. обратно пропорционально току, поэтому она нелинейная. При измерениях электроды из отожженной Аl фольги притирают к поверхности образцов (используются также резино-фольговые электроды - из

2 5

4

1 3

6 7 8

Рис. Схема установки для измерения r_s твердых диэлектриков

1- источник постоянного напряжения, 2 - заземленный электрод, 3- измерительный электрод, 4- кольцевой (охранный) электрод, 5 - образец (заштрихован), 6-входное

сопротивление, 7-усилитель малых постоянных токов, 8-показывающий прибор (измерительная головка)

резины, обёрнутой отожженной Аl фольгой). Высокое постоянное напряжение подается на высоковольтный электрод ВЭ. Ток проходит от этого электрода через толщу образца и попадает на измерительный электрод (при измерении r_v), при этом ток, идущий по поверхности, попадает на охранный кольцевой электрод и уходит на землю.

При измерении r_s высокое напряжение подается на охранный электрод, а электрод 2 заземляется, при этом ток, идущий через толщу образца, уходит на землю, а идущий по поверхности измеряется. (Cм. рис.)

Расчет r_v и r_s проводят по формулам:

r_v =RS/h

r_s =2pR/ln(D₂/D₁)

приблизительно r_s »RpD_cp/b

где D_cp = (D₁ + D₂)/2; D₁- диаметр измерительного электрода и D₂ - внутренний диаметр охранного электрода. Площадь электродов

S=pD²_cp/4; h-толщина образца; b-зазор между измерительным и охранным (кольцевым) электродом (около 2 мм). При D₁= 50 D₂ = 70 мм r_s =18,67 R_s

Определение внутреннего сопротивления и сопротивления изоляции.

Сопротивление изоляции R и внутреннее сопротивление R_i определяют методом вольтметра-амперметра по двухэлектродной схеме. Внутреннее сопротивление определяют на плоских образцах, предпочтительные размеры образцов 50 х 75 мм, толщина более 8 мм. С противоположных сторон в образцах просверливают углубления, диаметр отверстий 5 мм, глубина 4 мм. Расстояние между центрами отверстий 15 мм. В эти углубления вставляют цилиндрические электроды диаметром 5 мм, между которыми и измеряют сопротивление.

Сопротивление изоляции определяют на образцах такого же размера. В образцах с одной и той же стороны насквозь просверливают

конические отверстия диаметром 5 мм, конусность 1:50. Расстояние между центрами отверстий 15 или 25 мм. В эти отверстия плотно вставляют конические металлические электроды, между которыми и измеряют R_i.

Для измерения R плоских образцов и лент толщиной до 1 мм применяют электроды в виде брусков размером 10х10х50 мм. Ленточные электроды для измерения R представляют собой две параллельные полоски из проводящих красок, паст или из алюминиевой фольги, которые располагают на поверхности образца. Ширина электродов из краски, пасты 1 мм, из алюминиевой фольги 10 мм, расстояние между электродами 10 мм. При измерении R плоских образцов длина электродов составляет 100 мм.

Определение удельного объемного сопротивления токопроводящих материалов и покрытий.

Методы определения удельного объемного электрического сопротивления электропроводящих материалов (пластмасс, эластомеров) и покрытий отличается от методов измерений r электроизоляционных материалов. Причина этого заключается в том, что контактное сопротивление R_к на границе материал-электрод сравнимо, а иногда и больше, чем объемное сопротивление самого материала - до 10⁵ Ом. Эксперименты показывают, что R_к весьма непостоянно и обычно колеблется в пределах от 0,001 до 10⁵ Ом. Притирание фольги на вазелиновом масле не приводит к нужным результатам, так как сопротивление тонкого слоя масла может оказаться слишком большим. Даже припрессовка электродов может оказаться недостаточной для снижения R_к. Поэтому для измерений используют четырехэлектродный метод: измеряют падение напряжения на определенном участке при пропускании через образец постоянного тока.

На образец в виде полоски размером 100х10 мм толщиной до 2 мм накладывают четыре электрода - два “токовых” по концам и два ножевых или в виде узких поперечных полос (“потенциометрических”). Источник постоянного напряжения через амперметр подключают к токовым электродам, а электрометр к потенциометрическим. Основное условие правильности измерений - входное сопротивление электрометра должно быть значительно выше, чем возможное контактное сопротивление. Поэтому применяют приборы с входным сопротивлением не менее 10¹⁰ Ом. Расстояние между потенциометрическими электродами принимают постоянным - 20 мм. Потенциометрические электроды (шириной до 2 мм) можно делать из резины, обернутой фольгой, такие электроды прижимают грузом 100 г.

Электропроводящие покрытия - лаки, краски наносят на пластины из изоляторов - из силикатного или органического стекла, текстолита, в виде полосок 100х10 мм. При использовании в качестве наполнителей серебра или золота допускается применять образцы меньших размеров 40х5 мм.

Значения r_v рассчитывают по результатам измерений по формуле:

r_v = (DV/I)(bh/L)

где DV- разность потенциалов,В, между потенциометрическими электродами, I- ток,А; b,h, L - ширина, толщина образца и расстояние между элетродами. При стандартных L=20 мм и b=10 мм получаем

r_v = Uh/2I.

V

Образец

с электро-

дами

А

ИН

Схема измерений r_v электропроводящих материалов: V- электрометр, А-амперметр, ИН- источник постоянного напряжения.

Измерения проводят в трех точках по длине образца не менее трех раз не менее чем на трех образцах. За результат принимают среднее арифметическое всех измерений.

Другой метод измерений r_v электропроводящих материалов, широко распространенный при измерений электропроводности полупроводников, заключается в использовании электродов в виде четырех игл, расположенных по одной оси с равным расстоянием между ними d. Если размеры образца значительно больше d, а радиус площади контакта с каждой из игл значительно меньше расстояния между электродами, то

r_v = 2pd(DV/I)

внешнее напряжение подводится к двум крайним электродам, а разность потенциалов DV измеряется между двумя электродами, находящимися посередине.

Дата добавления: 2014-01-04