Дослідження залежності опору діелектриків від температури – МАНЛаб


Дослідження залежності опору діелектриків від температури

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 електричний опір зразків різних діелектричних матеріалів за температури навколишнього середовища.
  3. Визначити електричний опір зразків діелектричних матеріалів за різних температур.
  4. Побудувати графіки та дослідити зміни електричного опору діелектричних матеріалів залежно від температури.

Обладнання:

Лабораторний стенд «Вивчення питомих електричних опорів твердих діелектриків», діелектричні зразки, штангенциркуль.

Теоретична частина

Електричний опір – це властивість матеріалу створювати перешкоди проходженню електричному струму. Електричний опір можна визначити, поділивши прикладену до матеріалу напругу на струм, що проходить крізь матеріал:

(1)

За величиною опору тіла можна поділити на провідники, напівпровідники та діелектрики.

Провідники мають досить малий опір, тому добре проводять електричний струм. Електричний опір провідників зі зростанням температури зростає.

Діелектрики навпаки мають високий електричний опір та дуже слабко проводять електричний струм. Оскільки діелектрики використовують як ізоляційні матеріали, їхній електричний опір є діагностичним параметром стану ізоляції. Якщо при вимірюванні опору ізоляції виявляється, що він є нижчим за певне нормативне значення, це свідчить про можливе пошкодження або старіння ізоляції та, відповідно, про неможливість її подальшої експлуатації.

Електричний опір напівпровідників має проміжне значення між опорами провідників та діелектриків. Напівпровідники використовують для виготовлення радіоелектронних компонентів. Їхній електричний опір зі зростанням температури знижується.

Для матеріалу довжиною l і поперечним перерізом S електричний опір визначається за формулою:

(2)

де ρ – питомий електричний опір матеріалу, який є його індивідуальною характеристикою.

Питомий опір може визначатися як опір матеріалу кубічної форми з одиничними розмірами. Тоді ця величина вимірюється у Ом∙м. Також питомий електричний опір може визначатися як опір матеріалу довжиною 1 м та поперечним перетином 1 мм2. Тоді одиницею вимірювання питомого опору буде Ом∙мм2. У довідковій літературі зустрічаються обидві одиниці вимірювання. Для провідників, призначених для передачі електроенергії, більш зручною є одиниця Ом∙мм2, оскільки проводи класифікуються за поперечним перетином саме у мм2. Для діелектриків зручнішою є одиниця вимірювання Ом∙м. Така одиниця вимірювання є більш універсальною, адже діелектрики як ізоляційні матеріали можуть мати досить різноманітні форми.

Щоб визначити питомий електричний опір діелектрика, його зразок слід розмістити у вимірювальній касеті термостату, виміряти його електричний опір за різних температур та розрахувати питомий електричний опір за такими формулами.

Для плаского круглого зразка:

(3)

де R – електричний опір зразка, Ом;

d – товщина зразка, м;

D – діаметр зразка, м;

π – відношення довжини кола до його діаметру, π = 3,14.

Для плаского прямокутного зразка:

(4)

де a та b – відповідно довжина та ширина зразка, м.

Метою практичної роботи є засвоєння методики отримання залежностей питомого електричного опору діелектриків від їхньої температури з використанням спеціального обладнання та ПК.

Хід роботи

  1. Створіть у математичних таблицях Excel таблиці результатів у кількості, що дорівнює кількості діелектричних зразків.
  2. За допомогою штангенциркуля виміряйте геометричні розміри діелектричних зразків.
  3. Встановіть діелектричний зразок у касеті термостату, для чого:

     – оцініть стан поверхні зразку на наявність вологи, забруднень, окиснення електродів та у разі необхідності очистіть їх;

        – витягніть касету з робочої камери термостату, попередньо вивільнивши затиски її кріплення;

        – розмістіть зразок діелектрика на основу касети та закріпіть його затискними гвинтами;

        – вставте касету в робочу камеру термостату та закріпіть її затисками.

  1. З’єднайте вихідний шнур касети термостату з вимірювальними гніздами тераомметру.
  2. Увімкніть термостат до мережі 220 В, 50 Гц та увімкніть вимикач «Сеть» на його передній панелі.
  3. Витримайте термостат увімкненим протягом 10 хвилин.
  4. Увімкніть вимірювач тераомметр.
  5. Виконайте вимірювання електричного опору за температури навколишнього середовища, для чого:

        – для увімкнення режиму регулювання натисніть кнопку «Измер» на передній панелі термостату та виміряйте значення температури за цифровим індикатором;

        – виконайте вимірювання електричного опору за індикатором вимірювача тераомметра.

  1. За допомогою кнопок «Установка–» та «Установка+» задайте потрібну температуру нагріву термостату на цифровому індикаторі.
  2. Контролюйте нагрів термостату до заданої температури за станом світлодіодних індикаторів «Меньше», «Норма», «Больше». Коли засвітиться світлодіод «Норма» (паралельно прозвучить відповідний звуковий сигнал), зачекайте 2–3 хв, щоб забезпечити сталий температурний режим всередині камери термостату. Після цього проведіть вимірювання електричного опору.
  3. Здійсніть ряд вимірів ємності за різних температур у порядку їхнього збільшення з інтервалом у 2–5 градусів.
  4. Проведіть аналогічні вимірювання у порядку зменшення температур.

Аналіз даних

  1. Для кожного значення електричного опору в таблиці розрахуйте значення питомого електричного опору за виразами (3) та (4). Результати розрахунків заносьте до таблиці.
  2. Побудуйте графіки залежності питомого електричного опору від температури.
  3. За отриманими значеннями питомого електричного опру та його температурної залежності дійдіть висновків, як саме змінюється питомий електричний опір різних діелектричних матеріалів залежно від температури.

 

Таблиця результатів

t, °С
R, Ом
ρ, Ом∙м