Дослідження електричної міцності матеріалів – МАНЛаб


Дослідження електричної міцності матеріалів

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
  2. Визначити електричну міцність різних діелектричних матеріалів.

Обладнання:

Лабораторний стенд «Вивчення електричної міцності твердих діелектриків» МВ-002, штангенциркуль, зразки діелектричних матеріалів, ПК.

Теоретична частина

Електрична міцність діелектричного матеріалу – це мінімальна напруженість електричного поля, за якої відбувається його електричний пробій. Усі гази, а також усі тверді й рідкі діелектрики мають кінцеву електричну міцність.

Коли напруженість електричного поля перевищує електричну міцність, діелектрик починає проводити електричний струм. Провідність виникає внаслідок комбінації ударної іонізації та тунельного просочення. Роль кожного з цих ефектів залежить від конкретного діелектрика.

Будь-який діелектрик можна використати лише за електричної напруги, що не перевищує граничних значень, характерних для нього за певних умов. За напруги, вищої за ці граничні значення, настає електричний пробій діелектрика – повна втрата ним електроізоляційних властивостей. Значення електричної напруги, за якої відбувається пробій діелектрика, називається пробивною напругою. Відповідне значення напруженості однорідного зовнішнього електричного поля називають електричною міцністю діелектрика.

Зміна електропровідності відбувається стрибкоподібно і часто призводить до руйнування діелектрика внаслідок перегріву.

Явище електричного пробою пов’язане з електронними процесами в діелектрику, що виникають у сильному електричному полі і викликають раптове різке місцеве зростання щільності електричного струму до моменту пробою.

Пробій у газах обумовлюється явищами ударної та фотонної іонізації.

Пробій рідких діелектриків відбувається в результаті іонізаційних теплових процесів. Одним з найголовніших факторів, що сприяють пробою рідин, є наявність у них сторонніх домішок.

Пробій твердих тіл можуть викликати як електричні та хімічні, так і теплові процеси, що виникають під впливом поля.

Електрична міцність вимірюється у вольтах на одиницю відстані (зазвичай В/см) і значно різниться для різних діелектриків. Слюда, кварц та інші тверді діелектрики з гарними ізоляційними властивостями мають електричну міцність до 106…107 В/см. Електрична міцність рідкого діелектрика дуже сильно залежить від його чистоти і також може сягати 106 В/см. Електрична міцність газів лінійно залежить від тиску і суттєво – від товщини шару та форми електродів. Повітря в  нормальних умовах з товщиною шару 1 см має електричну міцність приблизно 3×104 В/см. Електрична міцність елегазу (шестифтористої сірки SF6) у 2–4 рази більша.

Електричну міцність вимірюють за допомогою коротких імпульсів високої напруги (щоб результати вимірів не спотворювалися тепловим та електрохімічним пробоями).

Хід роботи

  1. Створіть у математичних таблицях Excel таблицю результатів.
  2. Плавно підніміть захисний щиток високовольтного пристрою.
  3. За допомогою спеціальних гвинтів підніміть притискну планку пристрою кріплення зразка.
  4. Легким натисненням на боковий важіль індикатора підніміть рухомий стрижень угору та введіть між електродом і столом вимірювальної камери зразок діелектрика, після чого плавно опустіть боковий важіль індикатора.
  5. За допомогою спеціальних гвинтів опустіть притискну планку пристрою кріплення зразка.
  6. Плавно опустіть захисний щиток високовольтного пристрою.
  7. Зафіксуйте значення товщини зразка за показаннями індикатора вимірювальної головки та занесіть його до таблиці результатів.
  8. Увімкніть живлення стенда за допомогою мережевого вимикача вимірювального пристрою.
  9. Натисніть та відпустіть кнопку «Пуск» вимірювального пристрою. При цьому на цифровому індикаторі відображатимуться значення випробувальної напруги, що лінійно наростає; горітиме відповідний світлодіод.
  10. Під час виникнення пробою (починає блимати світлодіод «Пробой» та спрацьовує звукова сигналізація) зафіксуйте показання цифрового індикатора (гарантований час фіксації значення напруги пробою 5 с). Важливо: якщо випробувальна напруга сягне 25 кВ та пробою зразку не станеться, необхідно натиснути кнопку «Сброс», щоб стенд не вийшов з ладу.
  11. Натисніть і відпустіть кнопку «Сброс» вимірювального пристрою. При цьому показання індикатора обнуляться та засвітиться світлодіод «Сброс».
  12. Вимкніть живлення стенда за допомогою мережевого вимикача вимірювального пристрою.
  13. Плавно підніміть захисний щиток високовольтного пристрою.
  14. За допомогою спеціальних гвинтів підніміть притискну планку пристрою кріплення зразку.
  15. Легким натисканням на боковий важіль вимірювальної головки підніміть рухомий стрижень вгору та змістіть зразок для отримання нової точки пробою.
  16. Повторіть послідовно операції відповідно до пунктів 5–15 тричі для кожного зразка матеріалу.
  17. Після закінчення вимірювань стенд слід вимкнути від мережі живлення. Випробувальні електроди мають торкатися один одного (між ними не має бути зразка), а захисний щиток має бути опущеним донизу.

Аналіз даних

  1. Засобами математичних таблиць розрахуйте середні арифметичні значення товщини dср та пробивної напруги Uср для кожного зразка.
  2. Засобами математичних таблиць розрахуйте значення електричної міцності зразків за виразом:

Розраховані значення занесіть до таблиці.

  1. Проведіть порівняльний аналіз різних матеріалів за електричною міцністю.

 

Таблиця результатів

№ зразка d (мм) dср (мм) U, (кВ) Uср, (кВ) Е (В/см)
1.
2.
3.