Практикум по курсам Электротехническое материаловедение, Материалы электронной техники
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
Электрохимический пробой происходит при напряжениях меньших электрической прочности диэлектрика. Время развития этого вида пробоя составляет 10 3 10 8 с. Столь большое время связано с изме- нением химического состава и структуры диэлектрика в результате элек- трического старения. Срок службы изоляции с момента подачи на нее электрического напряжения вплоть до пробоя называется временем жизни, и оно зависит в первую очередь от химической природы материа- ла, его строения, величины приложенного напряжения. Большое практическое значение имеет задача изучения электриче- ской прочности неоднородных, композиционных и слоистых диэлектри- ков. К таким диэлектрикам относится кабельная или конденсаторная бу- мага, пропитанная изоляционным маслом. Электрическая прочность (Е пр ) нескольких слоев бумаги зависит от микронеоднородностей или точеч- ных повреждений отдельных слоев бумаги, формы электродов, площади их поверхности, а также от плотности бумаги, толщины листа и про- слойки масла между листами и их диэлектрических свойств, наличия га- зовых включений. Как на постоянном, так и на переменном токе Е пр слоистого ди- электрика зависит от распределения напряженности электрического поля по отдельным слоям и от ионизации воздушных включений. Простейшим слоистым диэлектриком является диэлектрик, состо- ящий из двух плоскопараллельных слоев с различными электрическими характеристиками. На переменном токе в каждом слое напряженность поля обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости (ε), а на постоянном — удельной электрической проводимости (γ) материала слоя. Такое распределение напряженностей определяется формулами Е 1 /Е 2 = ε 2 / ε 1 ; Е 1 /Е 2 = γ 2 / γ 1 Поскольку у пропитанной маслом конденсаторной бумаги диэлек- трическая проницаемость ε б = 4,5, а у масла ε м = 2,2 и соответственно удельная электрическая проводимость γ б = 10 –11 (Ом∙м) -1 , γ м = 10 –9 (Ом м) – 1 , то в пакете из пропитанной маслом конденсаторной бумаги на перемен- ном токе напряженность электрического поля больше в слое масла, а на постоянном — в слое бумаги. Поэтому на переменном токе пакет бумаги пробивается при меньшем напряжении, чем на постоянном. Этому спо- собствует также и наличие воздушных включений, неизбежных в много- слойных диэлектриках, в которых на переменном токе происходит больше разрядов в единицу времени, чем на постоянном токе. Уменьшению элек- трической прочности при разрядах способствуют и образующиеся при этом озон и окислы азота, разрушающие бумагу. Этот процесс называется старением. 42 В зависимости электрической прочности от числа листов пропи- танной конденсаторной бумаги наблюдается обычно максимум (для па- кета из 6 7 листов), обусловленный наличием слабых в электрическом отношении мест в объеме диэлектрика между электродами и в самом ди- электрике. Рост Е пр в этом случае можно связать с уменьшением вероят- ности совпадения слабых мест при увеличении числа листов в пакете, а уменьшение Е пр после достижения максимума связано с ростом неодно- родности электрического поля и неоднородности слоистого диэлектрика (пакета листов). В системе контроля качества электрической изоляции получило распространение определение среднего значения пробивного напряже- ния и электрической прочности, а также определение разброса разно- сти между максимальной и минимальной измеренными величинами. Так как физическое явление пробоя диэлектрика имеет статистический ха- рактер, то множество измеряемых величин обычно укладываются в нор- мальное распределение. Для статистической оценки совокупности значе- ний U пр предусматривается расчет следующих величин статистических параметров: разброса значений среднего арифметического, дисперсии, среднеквадратического отклонения, 90%-ного доверительного интервала. Следует иметь ввиду, что в ряде случаев, для характеристики опытных данных по пробою диэлектриков могут кроме нормального распределе- ния использоваться логарифмически нормальное распределение. Поэто- му прежде всего необходимо построить гистограмму для большого ко- личества опытов и определить, подчиняется ли нормальному распреде- лению непосредственно контролируемые величины. Пример гистограм- мы для пробивных напряжений керамических конденсаторов показан на рис. 2. Рис. 2. Гистограмма пробивных напряжений керамических конденсаторов. Среднее значение пробивного напряжения U пр = 4,459 кВ 2 4 6 8 U пр , кВ 0 10 20 30 % 43 Эмпирическую функцию распределения пробивных напряжений диэлектрика, аналогичную рассмотренному примеру, целесообразно условно разбивать на три участка: область наибольшей электрической прочности (на рис. 2 выше 5000 В), соответствующую идеальному ди- электрику и, повидимому, мало отражающую прочность реальных мате- риалов; область значений (примерно от 3000 до 5000 В), отражающую процессы в реальном диэлектрике с присущими ему микроскопическими дефектами; область низких пробивных значений, соответствующую ми- нимальным вероятностям разрушения изоляции (в примере до 3000 В). Сказанное выше показывает, что модели электрической прочности, соот- ветствующие разным частям эмпирической функции распределения, должны быть существенно различными. Описание лабораторной установки 1. Стенд состоит из двух устройств, измерительного и высоковоль- тного, соединенных между собой блокировочным 14 и измерительным 13 кабелями. Внешний вид устройств приведен на рис. 3. 2. На передней панели измерительного устройства (рис. 3, а) рас- положены цифровой индикатор выходного напряжения 15, кнопка ―ПУСК‖ 17, кнопка ―СБРОС‖ 19, соответствующие светодиоды 18 и 20, сигнализирующие о нажатии кнопок ―ПУСК‖ и ―СБРОС‖, и светодиод 16, индицирующий событие пробоя. На задней панели измерительного устройства расположены гнездо 23 блокировки сети, клемма 21 защитного заземления, розетка 22 для подключения сигнального кабеля 13 от высоковольтного устройства, се- тевой шнур 26, сетевой выключатель 25 и два держателя предохраните- лей, закрытые защитной крышкой 24. 3. Сверху на высоковольтном устройстве расположена измери- тельная головка 1 для измерения толщины образца с ручкой 7 коррекции нуля установки и рычагом 2 перемещения подвижного стержня. Внутри высоковольтного устройства расположены измерительная камера, в ко- торую введен подвижный стержень 3 измерительной головки. На стержне расположены испытательные электроды 4 и 5 четырех типораз- меров, которые меняются посредством вращения. Электроды измери- тельного стержня электрически соединены с корпусом (общим прово- дом) высоковольтного устройства и клеммой защиты вмонтированным электродом 6, на который подается положительный испытательный по- тенциал. Внутри измерительной камеры расположено устройство крепления испытуемого образца, которое состоит из прижимной планки 10 и при- жимных винтов 9, и две стойки 8 с винтами предварительной установки нуля измерительной головки. Измерительная камера снаружи закрыта прозрачным защитным щитком 11. Щиток при открывании блокирует 44 электропитание измерительного и высоковольтного устройства за счет срабатывания вмонтированного в измерительный блок концевого вы- ключателя. а) б) Рис. 3. Измерительное (а) и высоковольтное (б) устройства пробивной установ- ки 4. Устройство измерительное служит для измерения и индикации испытательного напряжения, а также для управления работой устройства высоковольтного. В устройстве размещены источники питания, необходимые для работы самого устройства измерительного и для работы устройства вы- соковольтного, генератор медленно нарастающего напряжения, которое управляет преобразователем напряжения в устройстве высоковольтном, устройство выборки и хранения, необходимое для фиксации напряжения пробоя, схема управления и аналого-цифровой преобразователь. 5. Устройство высоковольтное служит для получения высокого напряжения, измерения толщины испытуемых тонких пленок с помощью измерительной головки, а так же как защитная камера для проведения экспериментов. В устройстве высоковольтном размещены преобразователь напря- жения, высоковольтный делитель напряжения и система блокировки, со- стоящая из двух концевых переключателей: один для блокировки сети, другой для блокировки генерации генератора в преобразователе напря- жения. 45 Рабочее задание 1. Изучите экспериментальную установку (измерительное и высо- ковольтное устройство испытательного стенда); указания по мерам безопасности; подготовку стенда к работе и порядок работы. 2. Снимите зависимость U пр пакета конденсаторной бумаги, пропи- танной маслом, от толщины пакета (h) для следующих систем электро- дов: 1) сфера малого радиуса против плоскости; 2) сфера большого ради- уса против плоскости; 3) плоскость против плоскости; 4) острие против плоскости. Толщину пакета изменяйте в пределах, указанных преподавателем (обычно для конденсаторной бумаги с толщиной одного листа около 10 мкм рекомендуется число листов изменять в пределах от 2 до 12 с шагом 2 листа). При каждой толщине пакета проводить по 5 пробоев. 3. По результатам, полученным в п. 2, постройте в одной системе координат зависимости U пр = f 1 (h) и Е пр = f 2 (h), где значения U пр выраже- ны в кВ, Е пр в кВ/мм, h — в мм. 4. Для системы «цилиндр с закругленным краем против плоскости» определите 50 значений U пр пакета из 6 листов конденсаторной бумаги (по указанию преподавателя аналогичное задание выполняется для трех других систем электродов). 5. Используя стандартные методики, вычислите и проанализируйте статистические параметры процесса пробоя и гистограммы пробивных напряжений композиционного диэлектрика при разных формах электро- дов. 6. Сформулируйте письменные выводы по результатам работы. Порядок проведения работы Меры безопасности 1. Перед началом работы со стендом необходимо убедиться, что высоковольтное и измерительное устройства заземлены. Для этого нуж- но проверить надежность защитного заземления на задних панелях при- боров. 2. В установке имеется опасное для жизни напряжение, поэтому во время работы следует строго соблюдать соответствующие меры безопас- ности. Перед включением в сеть нужно убедиться в наличии защитного заземления, исправности сетевого соединительного шнура, исправности и надежности блокировки и изоляции. 3. Стенд не должен подвергаться воздействию капель или брызг каких-либо жидкостей. Никакие емкости с жидкостями не должны уста- навливаться на изделии. 46 4. Не допускается перекрывание вентиляционных отверстий, нахо- дящихся на крышке корпуса измерительного устройства. Подготовка стенда к работе 1. На подвижном стержне измерительной головки в высоковольт- ном устройстве отпустите крепежный винт и путем вращения установите вертикально вниз один из четырех испытательных электродов 4, 5 (рис. 2, б), закрутите крепежный винт. 2. Произведите грубую установку нуля головки измерительного блока путем вращения регулировочных винтов 8, расположенных на опорных стойках измерительной камеры (рис. 2, б). 3. Опустите защитный щиток измерительного блока и произведите точную установку нуля измерительной головки путем вращения ручки коррекции 7. 4. Включите шнур питания в сеть 50 Гц, 220 В, переведите сетевой выключатель 25 (рис. 2, а) измерительного устройства в положение ―Включено‖. При этом индикатор выходного напряжения 15 должен све- титься и показывать нулевые значения всех трех цифровых разрядов. 5. Проверьте работу блокировки питания высоковольтного блока защитным щитком измерительного блока, для чего поднимите вверх за- щитный щиток 11 (рис. 2, б). При этом индикаторы выходного напряже- ния высоковольтного блока должны погаснуть. Опустите вниз защитный щиток индикаторы высоковольтного блока должны засветиться. 6. Подготовьте образец диэлектрического материала к испытаниям. Для испытания используйте образцы прямоугольной или круглой формы. Отсутствие поверхностного пробоя и искажения результатов испытаний гарантируется во всем диапазоне испытательного напряжения при рас- стоянии между соседними точками пробоя или точкой пробоя и краем образца не менее 45 мм. Выполнение работы 1. Выключите питание стенда с помощью сетевого переклю- чателя 25 (рис. 2, б) измерительного устройства. 2. Плавно поднимите защитный щиток высоковольтного устройства. 3. Вращением винтов 9 поднимите прижимную планку устройства крепления образца 10. 4. Легким нажимом на боковой рычаг 2 (рис. 2, б) подними- те подвижный стержень вверх и введите между электро- дом и столом измерительной камеры испытуемый обра- зец, после чего плавно отпустите боковой рычаг головки. 5. Вращением винтов опустите прижимную планку устрой- ства крепления образца. 47 6. Плавно опустите защитный щиток высоковольтного устройства. 7. Зафиксируйте значение толщины образца по показаниям индикатора измерительной головки. 8. Включите питание стенда с помощью сетевого выключа- теля измерительного устройства. 9. Нажмите и отпустите кнопку ―ПУСК‖ измерительного устройства. При этом на цифровом индикаторе будут отображаться значения линейно нарастающего испыта- тельного напряжения и будет светиться соответствующий светодиод. 10. При возникновении пробоя (начинает мигать светодиод ―ПРОБОЙ‖ и срабатывает звуковая сигнализация) зафик- сируйте показания цифрового индикатора (гарантирован- ное время фиксации значения напряжения пробоя 5 с). Внимание! Для предотвращения преждевременного выхода стенда из строя, при достижении значения испытательного напряжения 25 кВ и отсутствии пробоя образца необходимо нажать на кнопку ―СБРОС‖. 11. Нажмите и отпустите кнопку ―СБРОС‖ высоковольтного блока. При этом показания цифрового индикатора обну- ляются и будет светиться светодиод ―СБРОС‖. 12. Выключите питание стенда с помощью сетевого выклю- чателя измерительного устройства. 13. Плавно поднимите защитный щиток устройства высоко- вольтного. 14. Вращением винтов поднимите прижимную планку устройства крепления образца. 15. Легким нажимом на боковой рычаг измерительной голов- ки поднимите подвижный стержень вверх и сместите ис- пытуемый образец для получения новой точки пробоя. 16. Повторите последовательно операции согласно пп. 5—15. Образец может подвергаться пробою в нескольких точках с учетом требований п. 6 разд. «Подготовка стенда к ра- боте». 17. При необходимости смены испытательного электрода повторите операции по пп. 1—3 настоящего раздела. 18. По окончании работы стенд должен быть отключен от пи- тающей сети, текущий испытательный электрод 4, 5 дол- жен касаться электрода 6 (рис. 2, б), (между ними не должно быть образца), а защитный щиток опущен вниз. 48 Обработка результатов измерений Для статистической оценки совокупности значений U пр предусмат- ривается расчет следующих величин статистических параметров: разброс значений среднего арифметического, дисперсии, среднеквадратического отклонения, коэффициента вариации и асимметрии, эксцесса и контрэксцесса, 90%-ного доверительного интервала. Для расчета таких параметров и гистограмм рекомендуется использовать стандартные про- граммы, например EXCEL или др. Контрольные вопросы 1. Охарактеризуйте физические основы явления пробоя твердых диэлектриков и основные признаки электротеплового и электрического пробоев. 2. Каковы особенности пробоя композиционных (слоистых) ди- электриков? 3. Почему явление пробоя диэлектриков носит статистический ха- рактер? 49 Лабораторная работа № 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ПРОВОДНИКОВЫХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Цель работы — овладение методикой измерения температурных зависимостей электрического сопротивления проводниковых и полупро- водниковых материалов и обработка результатов измерений. Общие положения Электропроводность проводниковых материалов Из проводниковых материалов — твердых тел, жидкостей и газов — в электротехнике наиболее часто применяют металлы и сплавы. Металлы можно рассматривать как совокупность положительно заряженных ионных остовов с большими промежутками между ионами, заполненными «электронным газам» таким образом, чтобы на макроско- пическом уровне система оставалась электронейтральной. Отсюда тип электропроводности металлических проводников — электронный (ме- таллический), и они являются проводниками первого рода. Наличие свободных делокализованных электронов обусловливает высокую пластичность, характерный блеск металлов, высокую электро- и теплопроводность. Электроны с тепловой скорость около 10 5 м/с под действием электрического поля приобретают некоторую добавочную скорость направленного движения (несколько миллиметров в секунду), т.е. элек- трический ток. В металлах в изотермических условиях хорошо выполняется закон Ома, который часто записывают в виде где удельная проводимость , Ом –1 м –1 , связывает плотность тока , А/м , с напряженностью электрического поля , В/м. Вышеприведенное соотношение известно как закон Ома в диффе- ренциальной форме. Удельное сопротивление связано с соотношени- ем измеряется в Ом м или во внесистемных единицах Ом мм 2 /м. Предпо- чтительнее пользоваться производными единицами СИ — мкОм м Связь между единицами удельного сопротивления: 1 Ом м = 10 6 мкОм м = 10 6 Ом мм 2 /м. 50 Согласно классической теории металлов: где — заряд электрона ( =1.6 10 -19 Кл); — концентрация сво- бодных электронов (для меди n=8.5 10 28 м -3 ); — средняя длина свобод- ного пробега между двумя соударениями с узлами решетки; — масса электрона ( =9.1 10 -31 кг); — средняя скорость теплового движения электрона ( около 10 5 м/с). С другой стороны проводимость связана с концентрацией и подвижностью носителей заряда соотношением: Основные недостатки классической теории исходят не столько из представлений о существовании в металлах свободных электронов, сколько от применения к ним законов статистики Максвелла— Больцмана, согласно которой распределение электронов по энергетиче- ским состояниям описывается экспоненциальной функцией вида, когда в каждом энергетическом состоянии может находиться любое число элек- тронов: ( ) ( ) ⁄ где — постоянная Больцмана; — энергия уровня, вероятность заполнения ( )которого определяется. Квантовая статистика базируется на принципе Паули, согласно ко- торому на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Отсюда сразу вытекает различие классического и кван- тового распределений электронов по энергиям. С классической точки зрения энергия всех электронов при температуре абсолютного нуля должна равняться нулю. И если общее число свободных электронов в кристалле равно n, то при 0 К в соответствии с принципом Паули они займут n/2 наиболее низких энергетических уровней. В квантовой теории вероятность заполнения энергетических состо- яний электронами определяется функцией Ферми: ( ) ( ( ) ⁄ ) где — энергия характеристического уровня, относительно которого кривая вероятности симметрична. При функция Ферми обладает следующими свойствами: ( ) , если , и ( ) , если . Таким образом, величина определяет максимальное значение энергии, которую может иметь электрон в металле при температуре аб- солютного нуля. Эту характеристическую энергию называют энергией Ферми или уровнем Ферми. Соответствующий ей потенциал называют электрохимическим потенциалом. Следует отметить, 51 что энергия не зависит от объема материала, а определяется только концентрацией свободных электронов, что непосредственно вытекает из принципа Паули. Поскольку концентрация свободных электронов в ме- талле велика, энергия Ферми также оказывается высокой и в типичных случаях составляет 3—15 эВ. При нагревании кристалла электронам сообщается тепловая энер- гия порядка . За счет этого возбуждения некоторые электроны, нахо- дящиеся вблизи уровня Ферми, начинают заполнять состояния с более высокой энергией: график функции распределения из ступенчатого ста- новится несколько пологим. Однако избыток энергии, получаемой элек- тронами за счет теплового движения, очень незначителен по сравнению с и составляет всего несколько сотых долей электрон-вольта. Поэтому характер распределения электронов по энергиям также изменяется очень незначительно: средняя энергия электронов практически остается без изменения. Незначительное изменение средней энергии при изменении температуры означает малую теплоемкость электронного газа, значение которой по статистике Ферми—Дирака при обычных температурах по- лучается в 50—70 раз меньше, чем по классической теории. В этом за- ключено разрешение противоречия между малой теплоемкостью и высо- кой проводимостью электронного газа в металлах. При любой температуре для уровня с энергией вероят- ность заполнения электронами равна 0.5. Все уровни, расположенные ниже уровня Ферми, с вероятностью больше 0.5 заполнены электронами. Наоборот, все уровни, лежащие выше уровня Ферми, с вероятностью бо- лее 0.5 свободны от электронов. |