Практикум по курсам Электротехническое материаловедение, Материалы электронной техники
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
Порядок проведения работы Работа на установке требует строгого соблюдения правил электро- безопасности. Перед началом работы следует ознакомиться с устрой- ством лабораторного стенда, рабочим заданием, приведенным в работе, указаниями по выполнению работы. Приступать к работе можно по раз- решению преподавателя. 1. Включите питание термостата («Сеть»). При этом обратите вни- мание, что цифровой индикатор должен показывать 15 С и должен све- титься индикатор «Б». 2. Выдержите термостат во включенном состоянии в течение 10 мин. 3. Нажмите кнопку 2 режима установки нуля тераомметра (рис. 5). 4. Установите с помощью механического корректора 9 стрелку по- казаний тераомметра на нулевую отметку шкалы. 5. Переведите выключатель питания 7 тераомметра в положение «СЕТЬ ВКЛ». При этом должна светиться лампочка индикации. Стрелка прибора должна позиционироваться на нулевую отметку шкалы в тече- ние 1 мин. 6. Выдержите тераомметр включенным в течение 30 мин. 12 Рис. 5. Тераомметр Е3-16А (внешний вид передней панели): 1 — ручка установки нуля точно; 2 — кнопка замыкателя входа; 3 — высокоомный измерительный вход; 4 — гнездо выходного напряжения; 5 — клемма для подключе- ния экрана; 6 — выключатель питания; 7 — индикатор включения прибора; пере- ключатель поддиапазонов измерения; 9 — корректор механического нуля; 10 — ин- дикатор включения измерительного напряжения 10 В 7. Выберите и включите требуемое напряжение измерения. Изме- рительное напряжение (10 или 100 В) выбирается на входных гнездах те- раомметра с помощью переключателя, расположенного на задней пане- ли. При включении измерительного напряжения 10 В на передней пане- ли тераомметра светится индикаторная лампочка « 0,1 [10 V]» (распо- ложена на лицевой панели тераомметра справа, над индикатором «Сеть»). Это означает, что полученный по прибору результат измерения следует умножить на 0,1. Например, если переключатель поддиапазонов находится в положении 10 10 Ом, переключатель напряжения измерения — 10 В, то при показании прибора «2» измеренное значение сопротивле- ния будет равно 2 10 10 0,1 = 2 10 9 Ом. 8. Измерения проводятся в поддиапазонах от 10 6 до 10 13 Ом, в ко- торых лежат сопротивления исследуемых образцов. Отсчет измерений проводится по обратно пропорциональным шкалам 1 и 2, расположен- ным в верхней части циферблата (рис. 6). Шкалы 3 и 4 нижней части ци- 13 ферблата, соответствующие диапазонам измерения от 10 2 до 3 10 6 Ом, в лабораторной работе не используются Установите ручками «УСТ. 0 ГРУБО» и «УСТ. 0 ТОЧНО» (поз. 2, 1 на рис. 4) стрелку прибора на от- метку «бесконечность» обратно пропорциональных шкал. 9. Проведите измерения объемного и поверхностного сопротивле- ний образца при комнатной температуре (начальное значение температу- ры внутри рабочей камеры термостата), для этого: нажмите кнопку «Измер. Т» термостата и измерьте значение тем- пературы по цифровому индикатору; переведите тумблер « » приемной кассеты термостата в по- ложение « »; переведите кнопку 2 замыкателя входа тераомметра «УСТ. 0» в отжатое положение. Изменяя при необходимости поддиапазон измерения переключате- лем 8 проведите отсчет по шкале, соответствующей установленному поддиапазону. Переведите тумблер « » приемной кассеты термостата в по- ложение « » и, изменяя при необходимости поддиапазон измерения пе- реключателем 8, проведите отсчет по шкале, соответствующей уста- новленному поддиапазону. Обратите внимание! Если переключатель поддиапазонов имеет множитель 3, то измерения проводите по нижней обратно пропорцио- нальной шкале, если множитель равен 1, то по верхней шкале (рис. 6). Внимание! 1. При переключениях на поддиапазонах измерения 10 11 …10 13 Ом возможно зашкаливание стрелки тераомметра, время вос- становления показания не более 30 с. 2.После окончания измерений кнопкой «УСТАНОВКА Т –» уста- новите минимальную температуру, не допускайте длительной работы термостата при температурах свыше 80 С. 3. После двухчасовой непрерывной работы выключите термостат на время не менее 30 мин. Рис. 6. Циферблат шкалы тераомметра: 1 — обратная шкала для диапазонов с множителем 1; 2 — обратная шкала для диапазо- нов с множителем 3; 3 — шкала для диапазонов с множителем 1; 4 — обратная шкала 14 для диапазонов с множителем 3; Контрольные вопросы 1.Чем вызвана электропроводность диэлектриков? 2.Что является носителями тока в твердых диэлектриках? 3.В чем состоит природа сквозного тока (тока утечки), тока смеще- ния, тока абсорбции? 4.Что такое удельное поверхностное и удельное объемное сопро- тивления? 5.Какой общей закономерности подчиняется зависимость измене- ния удельного сопротивления диэлектриков от температуры? 6. От каких факторов зависит удельное поверхностное сопротивле- ние диэлектриков? 7. В чем состоит методика измерений удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений? 8. Что представляют собой гетинакс, стеклотекстолит, асбестоце- мент, лакоткань, почему удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления таких материалов различаются? 15 Лабораторная работа №2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОВОДИМОСТИ ПРОВОДЯЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Цель работы — определение удельного сопротивления, темпера- турного коэффициента удельного сопротивления проводящего компози- ционного материала Домашнее задание 1.Изучите физические основы и характерные черты явления элек- тропроводности проводящих композиционных материалов. 2.Ознакомьтесь с методикой определения удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений на постоянном токе. 3.Ознакомьтесь с порядком проведения работы, обработкой полу- ченных результатов и правилами оформления отчета о выполненной ра- боте. Общие положения Проводящие композиционные материалы (ПКМ) представляют со- бой гетерогенную смесь двух компонент: диэлектрической матрицы (связующего) и электропроводящего наполнителя. При малых объемных концентрациях наполнителя ПКМ ведет себя как диэлектрик, имеет большое удельное сопротивление. Если увеличивать объемную долю наполнителя, то при некотором его значении проводимость материала резко увеличивается и сопротивление композита резко уменьшается. Это явление носит название протекания. В электротехнике и кабельной тех- нике находят применение полимерные композиционные материалы. В качестве связующего используется полиэтилен, а в качестве наполнителя сажи (технический углерод). Применение сажи в качестве наполнителя эффективно за счет ее большой адсорбционной поверхности, высокой пористостью и малым размером частиц. Выпускаемый промышленно- стью технический углерод имеет средний размер частиц от 10 до 300 нм. Зависимость удельной проводимости полиэтиленового композицион- ного материала от объемной концентрации сажевого наполнителя при- ведена на рис. 1. Возникновение проводимости при некоторой объемной концен- трации связано с образованием электропроводящих цепочек сажи. По- лимерные композиционные материалы используются в качестве саморе- гулируемого резистивного элемента нагревательных кабелей (рис. 2). При подаче напряжение на токопроводящие жилы, в композицион- ном резистивном элементе будет протекать ток, который сопровождается 16 выделением тепла. При увеличении температуры расширяются матрица и наполнитель композиционного материала. Коэффициент объемного расширения матрицы больше, чем у наполнителя вследствие этого элек- тропроводящие цепочки разрываются - сопротивление увеличивается, ток уменьшается, и температура кабеля стабилизируется. На рис. 3 при- ведена зависимость удельного сопротивления композита полиэтилен- сажа от температуры. При температурах, больших температуры плавле- ния наблюдается уменьшение удельного сопротивления за счет агломе- рации проводящих частиц. Рис.1. Зависимость проводимости композита полиэтилен - печная сажа от кон- центрации наполнителя Рис. 2 Саморегулируемый кабель и элементы его конструкции: 1)медные токопроводящие жилы; 2)композиционный резистивный элемент; 3)внутренняя термостойкая изоляция; 4)второй слой внутренней изоляции; 5)экранирующая медная оплетка; 6)внешняя термоизоляционная оболочка Ом -1. м -1 с 0.01 0.1 1 10 -10 10 -6 10 -2 10 2 17 Рис. 3 Зависимость удельного сопротивления саженаполненного композита от температуры Важной характеристикой композиционного материала, используе- мого в качестве нагревателя является его удельное сопротивление и тем- пературный коэффициент сопротивления, определяемый как Описание лабораторной установки В работе используется та же лабораторная установка, что и в лабо- раторной работе №1. С той лишь разницей, что в качестве измерительно- го прибора вместо тераомметра используется мегаомметр. Для измере- ний поверхностного и объемного сопротивлений используются электро- ды с геометрическими размерами: Толщина образца Рабочее задание 1. Снять зависимость удельного объемного сопротивления от темпе- ратуры. Узнать у преподавателя геометрические размеры образца. Диапазон температуры: от комнатной до 80 °С с шагом 10 °С. Для расчета удельных объемных сопротивлений воспользоваться соот- ношением (4) лабораторной работы №1. По найденным значениям построить зависимость ( ), и ( )где Т измеряется в граду- сах по шкале Цельсия. 2. Снять зависимость удельного поверхностного сопротивления от температуры. Для расчета удельных поверхностных сопротивлений Ом . м T, C Точка плавления 50 100 150 10 10 10 8 10 6 18 воспользоваться соотношением (7), приведенным в лабораторной работе №1. По найденным значениям зависимость ( ). Повторить пункты 1и 2 в обратной последовательности, изменяя температуру от 80 °С до комнатной. Сделать письменные выводы по проделанной работе с объяснени- ем полученных зависимостей. Подготовить отчет по проделанной работе в соответствии с установленными требованиями. Порядок проведения работы Работа на установке требует строгого соблюдения правил электро- безопасности. Перед началом работы следует ознакомиться с устрой- ством лабораторного стенда, рабочим заданием, приведенным в работе, указаниями по выполнению работы. Приступать к работе можно по раз- решению преподавателя. Включите питание термостата («Сеть»). При этом обратите внима- ние, что цифровой индикатор должен показывать 15 С и должен светить- ся индикатор «Б». 2. Выдержите термостат во включенном состоянии в течение 10 мин. 3. Включите мультиметр в режиме измерения сопротивления (вы- брав ручкой переключения шкалу 200 или 2К, измерения до 200 Ом до 2 кОм соответственно). 4. Проведите измерения объемного и поверхностного сопротивле- ний образца при комнатной температуре (начальное значение температу- ры внутри рабочей камеры термостата), для этого: нажмите кнопку «Измер. Т» термостата и измерьте значение ком- натной температуры по цифровому индикатору; переведите тумблер « » приемной кассеты термостата в по- ложение « », измерьте значение объемного сопротивления; переведите тумблер « » приемной кассеты термостата в положение «R s », измерьте значение поверхностного сопротивления. Повторите измерения объемного и поверхностного сопротивлений для температур до 80 Контрольные вопросы 1. Чем вызвана электропроводность полимерных композиционных материалов? 2. Чем вызвано применение в качестве наполнителя технического углерода? 3. Почему сопротивление композиционных материалов возрастает с ростом температуры? 4. В чем состоит методика измерений удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений? 19 Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ Цель работы — изучение стандартных методов определения ди- электрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ твердых диэлектриков на токе переменной частоты и определение ε и tgδ различных материалов в зависимости от различных условий окружа- ющей среды. Домашнее задание 1. Изучить физические основы и характерные черты явлений поляри- зации и диэлектрических потерь в твердых диэлектриках. 2. Ознакомиться со стандартными методами определения дэлектри- ческой проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь на частоте 50 Гц. 3. Влияние окружающей среды на процессы поляризации и диэлек- трических потерь. 4. Изучить порядок проведения лабораторной работы, обработка ре- зультатов испытаний и оформление отчета о проделанной работе. Общие положения Относительная диэлектрическая проницаемость является одной из важнейших характеристик электроизоляционных материалов. Ее ве- личина определяет значение емкости образца материала, либо электро- изоляционной конструкции (изолятора, конденсатора, электрического кабеля и др.). Определив относительную диэлектрическую проницае- мость и умножив ее на диэлектрическую постоянную , получаем абсолютную диэлектрическую проницаемость ма- териала Диэлектрическая проницаемость является количественной мерой интенсивности процессов поляризации, протекающих в диэлектрике. Измерив, емкость образца и зная его геометрические размеры, вычисляют диэлектрическую проницаемость исследуемого материала по следующей формуле: (1) где – емкость образца в Фарадах; – толщина образца в м; – пло- щадь измерительного (центрального) электрода в м 2 20 Под диэлектрическими потерями понимают обычно мощность, рассеиваемую в электрической изоляции, находящейся в переменном электрическом поле. Применяемые электроизоляционные материалы в неодинаковой степени способны к такому рассеянию. Только идеальный диэлектрик может обеспечить электрическую изоляцию, через которую под действием переменного напряжения будет проходить чисто реактив- ный, емкостной ток. В реальном изоляционном материале ток наряду с емкостной составляющей , будет иметь и активную составляющую которая определяет величину диэлектрических потерь: . По- этому вектор тока опережает вектор напряжения на угол (рис. 1). Угол , дополняющий до 90 , называется углом диэлектриче- ских потерь, потому что чем больше этот угол, тем больше составляю- щая , а следовательно, и диэлектрические потери Рис. 1. Векторная диаграмма для параллельной схемы замещения реального ди- электрика (диэлектрика с потерями) Диэлектрические потери (Вт) в образце электроизоляционного материала или в изоляции какой-либо конструкции с емкостью (Ф) при действующем значении переменного синусоидального напряжения U (В) и круговой частоте (с –1 ) вычисляются по формуле Отсюда следует, что потери определяются величиной тангенса угла диэлектрических потерь ( ), являющегося поэтому важной характери- стикой как диэлектриков, так и изоляции конструкций (конденсаторов, электрических машин, кабелей и проводов), в особенности работающих при высоких напряжениях и частотах. И тангенс угла диэлектрических потерь, и диэлектрическая прони- цаемость диэлектриков зависят от различных факторов, например часто- ты приложенного напряжения, температуры диэлектрика и др. Ярко вы- I a I с U I 21 раженная зависимость от приложенного напряжения наблюдается у изоляции, содержащей газовые включения. Домашнее задание Изучите: 1) физические основы и характерные черты явления поляризации и чем обусловлены диэлектрические потери в твердых диэлектриках; 2) влияние окружающей среды на процесс поляризации и диэлек- трические потери; 3) стандартные методы определения и при напряжении пере- менной частоты, устройство установки для определения емкости и тан- генса диэлектрических потерь конденсаторов (измеритель RLC типа Е7- 22) и порядок работы на установке; 4) требования к образцам материалов для определения и ди- электриков; 5) порядок проведения обработки результатов испытаний и оформ- ления протокола по работе. Описание лабораторной установки 1. Стенд состоит из термостата, обеспечивающего задание, измере- ние, автоматическую поддержку температуры образцаи измерителя RLC (измерителя емкости и тангенса угла диэлектрических потерь) образца диэлектрика. По результатам измерения и с учетом размеров образца вы- числяется его диэлектрическая проницаемость (см. соотношение (1)). 2. Нагрев осуществляется внутри рабочей камеры термостата, куда помещается кассета с исследуемым диэлектрическим образцом. Кон- струкция рабочей камеры термостата обеспечивает одинаковую темпера- туру во всем рабочем объеме и равновесие между температурой образца и среды. Измерение, регулирование и поддержка заданного температур- ного режима осуществляется по показанию чувствительного термосо- противления, установленного стационарно внутри рабочей камеры тер- мостата. Предварительная установка значения требуемой температуры производится с помощью кнопок на передней панели термостата с инди- кацией на цифровом 3-разрядном индикаторе, далее процесс разогрева (или остывания) до заданной температуры, а также ее поддержка осу- ществляется автоматически (см. рис. 4 лабораторная работа №1). Контроль текущего температурного режима относительно заданно- го осуществляется тремя световыми индикаторами: «БОЛЬШЕ»; «НОР- МА»; «МЕНЬШЕ». Также предусмотрена звуковая сигнализация при ра- венстве текущей температуры и заданной. Значение текущей температуры выводится на цифровой 3-разряд- ный индикатор при нажатии кнопки «ИЗМЕР» на передней панели тер- мостата. 22 3. Объектами исследования могут быть плоские образцы твердых диэлектриков круглой формы с заранее нанесенными на поверхность электродами или эластичные диэлектрики с нажимными сменными элек- тродами. Расположение электродов на образце и их размеры приведены на рис. 2. Схема подключения электродов приведена на рис. 3. 4. Конструктивно термостат выполнен в виде настольного блока. Назначение органов управления и присоединительных разъемов приве- дено на рис. 2. |