Практикум по курсам Электротехническое материаловедение, Материалы электронной техники
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ __________ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ» В.Н. Гордеев, Ю.В. Зайцев, В.М. Леонов, А.Ю. Мирошниченко, Ю.М. Носова, С.В. Серебрянников, А.А. Сутченков, Д.С. Холодный, В.К.Шеметова ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ по курсам «Электротехническое материаловедение», «Материалы электронной техники», «Радиоматериалы и радиокомпоненты» для студентов, обучающихся по направлениям «Электроэнергетика и электротехника», «Электроника и наноэлектрони- ка» и «Радиотехника» Москва Издательство МЭИ 2018 УДК 621.3 ББК 65 Э 455 Утверждено учебным управлением НИУ «МЭИ» в качестве учебного пособия Подготовлено на кафедре физики и технологии электротехнических ма- териалов и компонентов Рецензенты: П.А. Арсеньев, докт. техн. наук, проф. каф. ФТЭМК НИУ «МЭИ», А.М. Боев, канд. техн. наук, доцент, заместитель технического директора по науке ООО «Холдинг Кабельный Альянс» В.Н. Гордеев, Ю.В. Зайцев и др. Э 455 Электротехническоематериаловедение, материалы электронной техники, радиоматериалы и радиокомпоненты: Сборник лабораторных работ, лабораторный практикум / В.Н. Гордеев, Ю.В. Зайцев и др. — М.: Издательский дом МЭИ, 2018. — 78 с. ISBN 978-5-7046-2010-5 Приведены описания лабораторных работ по исследованию свойств и определению параметров диэлектрических, полупроводнико- вых, проводниковых и магнитных материалов. Рассмотрены основные процессы воздействия электромагнитных поля, напряжения и температу- ры на материалы, применяемые в электротехнике, электроэнергетике, электронике и радиотехнике, температурные и частотные зависимости основных параметров электротехнических материалов. Даны методиче- ские рекомендации при выполнении лабораторных работ и обработке ре- зультатов экспериментов. Пособие предназначено для студентов, изучающих дисциплины «Электротехническое материаловедение», «Материалы электронной тех- ники», «Радиоматериалы и радиокомпоненты». УДК 621.3 ББК 65 ISBN 978-5-7046-2010-5 Национальный исследовательский университет «МЭИ», 2018 СОДЕРЖАНИЕ Предисловие .................................................................................................................... 4 Лабораторная работа № 1 Определение удельных электрических сопротивлений твердых диэлектриков ................................................................................................................... 5 Лабораторная работа №2 Исследование проводимости проводящих композиционных материалов ............. 15 Лабораторная работа № 3 Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков на переменном токе.................... 19 Лабораторная работа № 4 Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков (электроизоляционных материалов) на высоких частотах ............................................................................... 25 Лабораторная работа № 5 Исследование электрической прочности твердых диэлектриков ............................ 33 Лабораторная работа № 6 Исследование электрической прочности твердых диэлектриков для электродов различной формы ...................................................................................... 39 Лабораторная работа № 7 Определение температурных зависимостей электрических сопротивлений проводниковых и полупроводниковых материалов ...................... 49 Лабораторная работа № 8 ............................................................................................. Исследование магнитомягких материалов ................................................................ 63 Приложение 1 ................................................................................................................ 79 Приложение 2 ................................................................................................................ 79 4 ПРЕДИСЛОВИЕ Практикум содержит описания лабораторных работ, выполняемых при изучении дисциплин «Электротехническое материаловедение», «Материалы электронной техники», «Радиоматериалы и радиокомпонен- ты». В лабораторных работах, описания которых представлены в насто- ящем пособии, исследуются диэлектрические, полупроводниковые, про- водниковые и магнитные материалы, находящиеся под воздействием различного рода электрических, магнитных и тепловых полей, опреде- ляются зависимости параметров материалов от изменений внешних условий. Описания работ содержат теоретические основы по разделам курса, классификации материалов, методические указания по выполне- нию заданий и контрольные вопросы. Выполнение лабораторной работы предполагает самостоятельную подготовку по лекциям и литературным источникам (библиографиче- ский список дан в пособии), проведение работы в лаборатории, самосто- ятельную расчетную работу и оформление отчета о лабораторной работе. Отчет содержит: титульный лист с наименованием лабораторной работы, названием кафедры, Ф.И.О. студента и преподавателя; конкретное задание; основные формулы и соотношения, по которым проводился расчет; таблицы (протоколы) с результатами экспериментов; графики, выполненные в соответствии с требованиями препо- давателя; краткие письменные выводы, объясняющие соответствие (или несоответствие) полученных зависимостей теоретическим. Работы выполняются при строгом соблюдении правил техники безопасности с разрешения и при присутствии преподавателя. Лабораторные работы поставлены на кафедре физики и технологии электротехнических материалов и компонентов НИУ «МЭИ». Каждое занятие рассчитано на 4 часа работы в лаборатории и 4 часа самостоя- тельной работы. Авторы выражают благодарность рецензентам практикума про- фессору, доктору технических наук П.А. Арсеньеву и кандидату техни- ческих наук, доценту, заместителю технического директора по науке ООО «Холдинг Кабельный Альянс» А.М. Боеву. 5 Лабораторная работа № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ Цель работы — ознакомление со стандартными методами изме- рений на постоянном токе удельного объемного и удельного поверх- ностного сопротивлений твердых диэлектриков. Определение темпе- ратурных зависимостей ( ) и ( ). Домашнее задание 1.Изучите физические основы и характерные черты явления элек- тропроводности твердых диэлектриков. Изучите влияние различных факторов на электропроводность диэлектриков. 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 Отличительным свойством диэлектриков, используемым в элек- троизоляционной технике, является очень слабая способность проводить электрический ток. Низкая электропроводность диэлектриков обуслов- лена тем, что при обычных условиях (низких температурах и напряжен- ностях электрического поля) в них имеется весьма малое количество но- сителей заряда по сравнению с проводниками и полупроводниками. По своему характеру электропроводность диэлектриков является главным образом ионной. Под действием приложенного постоянного напряжения через элек- трическую изоляцию протекает ток утечки. Этот ток состоит из объем- ной и поверхностной составляющих. Объемный ток утечки проходит че- рез внутренние области изоляции и обусловлен величиной объемного сопротивления . Поверхностный ток утечки проходит через поверх- ностные слои изоляции и обусловлен величиной поверхностного сопро- тивления изоляции . Понятие поверхностного сопротивления вводят применительно к твердой изоляции, так как в результате воздействия внешних загрязнений, например влаги, электропроводность наружных слоев изоляции может быть значительно большей по сравнению с прово- димостью внутренних областей. В таких случаях низкое значение элек- трического сопротивления изоляции определяется большим поверхност- ным током утечки. 6 Для оценки качества диэлектриков с точки зрения их способности препятствовать прохождению через них электрического тока пользуются такой характеристикой, как удельное объемное электрическое сопро- тивление [ ]. Часто используются внесистемные размерности: * + или [ ]. Удельное поверхностное сопротивление имеет размерность [ ] или [ ( )]. Указанные величи- ны являются обратными к удельной объемной проводимости и удель- ной поверхностной проводимости При повышении температуры удельное сопротивление электроизо- ляционных материалов уменьшается, т.е. они становятся хуже. У твер- дых диэлектриков это явление объясняется главным образом увеличени- ем числа носителей заряда при нагревании. Для ограниченного интерва- ла температур зависимость удельного объемного сопротивления (точнее проводимости) от температуры достаточно точно выражается формулой ( ) (1) где — удельная объемная проводимость * + или ( Сименс (См) – единица измерения электрической проводимости, ) при тем- пературе T, °K; — предэкспоненциальный множитель; Е — энергия активации [Дж], зависящая от природы материала, характеризующая скорость снижения сопротивления диэлектрика с ростом температуры. Энергия активации для диэлектриков и полупроводников имеет различ- ный физический смысл. Энергия активации может быть выражена в электрон-вольтах [эВ], тогда запись для проводимости записывается в виде: ( ) (2) где q – заряд электрона. Сопротивление диэлектриков в ряде случаев зависит также от ве- личины приложенного напряжения, уменьшаясь при его возрастании. Эта зависимость обнаруживается при неплотном прилегании электродов к поверхности изоляции. Она также наблюдается и у пористых материа- лов в результате перераспределения влаги в капиллярах под действием приложенного напряжения, а также в случае образования объемных за- рядов в диэлектрике, создающих электродвижущую силу высоковольт- ной поляризации. Следует отметить, что здесь подразумеваются такие напряжения, значения которых далеки от пробивного напряжения изоля- ции. В традиционных электроизоляционных материалах, как правило, низкая электропроводность, температурная зависимость которой соот- 7 ветствует формуле (1). Антистатические добавки, используемые в ряде случаев для отвода статических зарядов, обычно имеют ионную прово- димость и обеспечивают минимальный уровень электропроводности, позволяющий зарядам стекать на землю. На другом конце шкалы нахо- дятся электротехнические материалы, в которых создается высокий уро- вень ионной проводимости и которые применяются в качестве твердых электролитов в источниках тока и топливных элементах. Существуют также композитные материалы с электропроводящи- ми частицами. Для практических приложений используется, например, полимерный материал и технический углерод. При возрастании темпе- ратуры электропроводность саженаполненного композита может как уменьшаться, так и увеличиваться, это зависит от того, в какой степени тепловое расширение разрывает проводящие цепочки, что, в свою оче- редь, определяется величинами коэффициентов объемного расширения полимерной матрицы и сажи. Описание лабораторной установки Определение удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений производится обычно на одном и том же испытуемом об- разце (ИО), на котором располагаются высоковольтный (ВЭ), измери- тельный (ИЭ) и охранный (ОЭ) электроды (рис. 1, а и б). а) б) Рис. 1. Схема измерения объемного (а) и поверхностного (б) сопротивле- ний образца на постоянном токе 8 При измерении объемного сопротивления образца (рис. 1, а или рис.2) высокое напряжение U подается к ВЭ. Для безопасности выпол- нения учебной измерительной работы высокое напряжение не использу- ется. Рис. 2. Принципиальная схема измерения удельного объемного сопротивления диэлектриков (стрелки показывают электроды, к которым подключен измери- тельный прибор) Ток протекает через объем диэлектрика между ИЭ и ВЭ. Электрод ОЭ заземлен. Поэтому ток, протекающий по поверхности образца, отво- дится на землю и не вносит вклад в измеряемое сопротивление. Заземле- ние ОЭ обеспечивает выравнивание электрического поля у краев элек- тродов. Для учета неоднородности поля принимается, что ток протекает через усредненное поперечное сечение диаметром D: (3) Диаметры электродов подбираются так, чтобы они отличались друг от друга на несколько процентов, т.е. были соизмеримы по площа- ди, а толщина диэлектрика была много меньше его диаметра. Удельное объемное сопротивление связано с сопротивлением геометрическими размерами электродов D 1 , D 2 (м) и толщиной об- разца h (м) и рассчитывается по формуле (4) Охранный электрод, имея практически тот же потенциал, что и из- мерительный электрод ИЭ, способствует устранению краевого эффекта у этого электрода и тем самым создает практически однородное электри- ческое поле в образце между электродами ИЭ и ВЭ. При измерении поверхностного сопротивления (рис. 1, б или рис. 3) напряжение подается на электрод ОЭ. Электрод ВЭ заземлен, по- этому объемный ток, протекающий через образец, отводится на землю и не измеряется измерительным прибором (ИП). Считается, что ток проте- кает по пути длиной ℓ (м), равному (5) Ширина площадки, по которой протекает, ток составляет: 9 ( ) (6) Рис. 3. Принципиальная схема измерения удельного поверхностного сопротив- ления диэлектриков (стрелки показывают электроды, к которым подключен измерительный прибор) Удельное поверхностное сопротивление (Ом) связано с геомет- рическими размерами электродов , (м) и поверхностным сопротив- лением (м) и рассчитывается по формуле ( ) (7) Лабораторный стенд состоит из термостата, с помощью которого осуществляется изменение, и поддержание температуры исследуемого образца и измерительного прибора — тераомметра (специальный прибор для измерения больших сопротивлений), измеряющего поверхностное R s и объемное R v сопротивления образцов. Рис. 4. Элементы управления и индикации термостата Переключение схемы измерения поверхностного и объемного со- противлений осуществляется с помощью тумблера «R s /R v », находящего- ся на лицевой панели термостата (рис. 4). Постоянное напряжение на образец подается с тераомметра. Ис- точник питания тераомметра обеспечивает два напряжения, при которых проводятся измерения: 10 и 100 В. По результатам измерения и , с учетом геометрических раз- меров электродов рассчитываются удельное поверхностное ρ s и удельное объемное ρv сопротивление. Образец размещается в камере, которая по- мещается в термостат. Как отмечалось выше, схемы подключения элек- тродов различаются при измерении объемного и поверхностного сопро- тивлений. 10 Для измерений поверхностного и объемного сопротивлений ис- пользуются электроды с геометрическими размерами: Толщина образца Отсчет показаний тераомметра производят через 3-5 минут после подключения. Дело в том, что как объемное, так и поверхностное сопро- тивление образца при постоянном напряжении определяют по сквозному току утечки, обусловленному нейтрализацией электрических зарядов на электродах. Но в начале действия напряжения на сквозной ток наклады- вается постепенно спадающий до нуля ток абсорбции, обусловленный замедленными видами поляризации. Обычно ток абсорбции затухает в пределах нескольких минут. По этой причине, а также для получения сравнимых результатов при различных испытаниях условились фиксиро- вать ток при определении удельных сопротивлений диэлектриков не сра- зу после подачи напряжения. Нагрев образца осуществляется внутри рабочей камеры термоста- та, куда помещается приемная кассета с исследуемым образцом. Кон- струкция камеры обеспечивает одинаковую температуру для всего объе- ма рабочей камеры, но все же перед измерением следует выдерживать температуру не менее 5 минут для равномерного прогрева образца. Из- мерение, регулирование и поддержание температуры на заданном уровне осуществляется с помощью термодатчика, смонтированного внутри ра- бочей камеры термостата. У термокамеры существует тепловая инерци- онность, поэтому не следует изменять температуру более чем на 5 граду- сов за одну установку температуры. Лучше сделать коррекцию темпера- туры на втором или третьем шаге, если образец был перегрет или, наобо- рот, не достиг требуемой температуры. Требуемое значение температуры задается с помощью кнопок <─> и <+>. При этом задаваемое значение температуры отображается на трехразрядном индикаторе (рис. 4). Процесс разогрева (остывания) до заданной температуры осуществляется автоматически. Контроль теку- щей температуры в камере термостата относительно заданной осуществ- ляется с помощью одного из трех индикаторов: «Б» — больше, «Н» — норма, «М» — меньше. Достижение температуры заданного значения сопровождается звуковой сигнализацией. Значение текущей температуры выводится на индикатор нажатием кнопки «Измерение. Т». Рабочее задание 1. Снять зависимость удельного объемного сопротивления от темпе- ратуры для материала, который установлен в термокамере. Узнать у преподавателя геометрические размеры образца. Диапазон темпе- ратуры: от комнатной до 80 °С с шагом 10 °С. Для расчета удель- ных объемных сопротивлений воспользоваться соотношением (4). 11 По найденным значениям построить линеаризованную зависимость проводимости ( ( )), где Т измеряется в градусах по шкале Кельвина и обычную зависимость ( ), где Т измеряется в граду- сах по шкале Цельсия, рассчитать значения и энергию актива- ции , которые входят в уравнение (1). 2. Снять зависимость удельного поверхностного сопротивления от температуры для материала, который установлен в термокамере. Для расчета удельных поверхностных сопротивлений воспользо- ваться соотношением (7). По найденным значениям построить ли- неаризованную зависимость ( ( )) и обычную 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. Объяснить, что такое энергия активации в формуле (1) для классических диэлектриков. |