WSPÓŁCZYNNIKI MATERIAŁOWE – pewne liczby charakteryzujące materiał, niezależnie od kształtu i wielkości próbki.

WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁU – wielkość fizyczna, chemiczna lub umowna, która daje się wyznaczyć bezpośrednio lub pośrednio (przez pomiar innych wielkości) i daje się wyznaczyć w określonych jednostkach lub bezwymiarowo. Jest związana z innymi właściwościami lub ze strukturą substancji tworzących dany materiał.

PODZIAŁ WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW

1. fizyczne i chemiczne (fizykochemiczne)

2. technologiczne- związane z procesem produkcji

3. specjalne.

WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE DIELEKTRYKÓW

ρ – rezystywność

ε – przenikalność elektryczna

tgδ – współczynnik strat dielektrycznych

Κ – wytrzymałość dielektryczna

π – wytrzymałość elektryczna

POMIAR REZYSTANCJI MATERIAŁÓW IZOLACYJNYCH

Dielektryk to materiał o dużej przerwie energetycznej i całkowicie zajętych poziomach energetycznych. Taka budowa sugeruje, że dielektryk nie powinien przewodzić prądu. W rzeczywistości każdy dielektryk przewodzi prąd

Dlaczego dielektryki przewodzą:

• przewodzenie w dielektryku głównie jest związane z przewodzeniem jonowym

• z obecnością w materiale zanieczyszczeń przewodzących

• budowy krystalicznej

Każdy dielektryk zawiera pewną liczbę swobodnych nośników ładunków (jonów, elektronów, domieszek). Wszystkie swobodne nośniki ładunków znajdują się w ruchu chaotycznym i dopiero w polu elektrycznym ruch ten staje się uporządkowany – płynie prąd przewodzenia albo prąd upływu, skrośny i powierzchniowy. Pod wpływem pola powstaje przesunięcie ładunków związanych do chwili osiągnięcia równowagi płyną prądy polaryzacyjne zwane prądami przesunięcia dielektrycznego.

Gęstość prądu w dielektryku

j=j_u+j_p

j_u – prąd upływu

j_p – prąd polaryzacji (płynie przez krótki czas do uzyskania stanu równowagi)

Jeżeli napięcie jest stałe

j=~j_u

Gęstość prądu jest funkcja:

• koncentracji nośników,

• struktury dielektryka,

• napięcia pola elektrycznego.

Ruch ładunków swobodnych wywołanych polem elektrycznym wyraża się zależnością:

m – liczba rodzajów ładunków

n_i – koncentracja ładunków swobodnych

q_i – wartość ładunków swobodnych

V_ui – prędkość unoszenia

V_ui~E – prędkość unoszenia proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego

V_ui = U_i*E

γ – współczynnik materiałowy konduktywność (przewodność) elektryczna zależy tylko od rodzaju materiału. Wiąże się z rezystywnością zależnością:

z tego wynika że rezystywność też jest współczynnikiem materiałowym

Konduktywność jest jedną ze stałych materiałowych, a istnienie przewodności w dielektryku powoduje to, że nie maja nieskończenie dużej rezystancji

Charakter konduktywności zależy od rodzaju materiału:

• dielektryk ciekły (olej transformatorowy) – γ jest funkcją jonów dodatnich i ujemnych powstających w wyniku dysocjacji cieczy lub zanieczyszczeń (konduktywność jonowa lub elektrolityczna)

• dielektryk stały – γ w słabych polach elektrycznych jest również jonowa (wyjątki CuS i CuCl₂ γ mieszana jonowa i elektronowa)

METODY POMIARU REZYSTANCJI W CELU WYZNACZENIA REZYSTYWNOŚCI – dzieli się ze względu na rodzaje przyrządów wskazujących pośrednio lub bezpośrednio natężenie prądu płynącego przez badaną próbkę

1. Metoda techniczna (metoda woltomierz – amperomierz, metoda bezpośrednia)

Najprostsza metoda polega na pomiarze napięcia przyłożonego do elektrod i natężenia prądu płynącego między elektrodami. Stosowana do 10¹³ Ω, podobnie jak metody mostkowa i porównawcza.

R_x – Mierzona rezystancja [Ω]

U_x – Napięcie na mierzonej rezystancji [V]

I_x – Prąd płynący przez R_x [A]

c_i – stała prądowa galwanometru [A/dz]

α_x – wychylenie wskazówki galwanometru [dz]

p_x – przekładnia bocznika

2. Metoda porównawcza – żeby wyeliminować wpływ błędów wprowadzonych prze miernik wychyłowy. Stosowana do pomiaru dielektryków tradycyjnych. Wynik otrzymuje się przez porównanie prądów płynących przez rezystancje badaną i wzorcową

3. Metoda mostkowa – Próbka włączona jest w jedno z ramion mostka Wheatstone`a. Jest to jedna z najdokładniejszych metod pomiaru rezystancji. Stosuje się dla próbek których czas ustalania się prądu jest krótki

Schemat mostka do pomiaru rezystancji

R₁ i R₂ są regulowane

Warunek równowagi mostka R₂*Rn=Rx*R₁

2. Metoda ładowania kondensatora Pomiar polega na pomiarze napięcia U_C na kondensatorze wzorcowym ładowanym prądem płynącym przez badaną próbkę oraz czasu t po upływie którego na kondensatorze C_N pojawi się napięcie U_C

U – Napięcie zasilania

C_N – pojemność kondensatora wzorcowego

U_C – Napięcie na C_N

t – czas gromadzenia się ładunku elektrycznego na kondensatorze C_N

2. Metoda elektrometryczna – zamiast galwanometru wykorzystuję elektrometr dynamiczny lub lampowy do pomiaru.

Elektrometr – miernik bardzo małych prądów rzędu 10^-15 A, który jest zasilany elektronicznym wzmacniaczem prądu.

Elektrometry do pomiaru bardzo wysokich rezystancji nazywają się TERAOMOMETRAMI i zawierają oprócz czułego miernika prądu zasilacz napięć pomiarowych.

W tych metodach prąd płynący przez próbkę określa się na podstawie zmian potencjału mierzonego elektrometrem. Służy do pomiaru materiałów nowoczesnych. Stosuje się do pomiaru bardzo dużych rezystancji. Wyróżnia się:

• Metody ładowania pojemności kondensatora wzorcowego

• Metody kompensacyjne

• Metody porównawcze

• Metody samorozładowania się pojemności kondensatora badanego

• Metody stałego odchylenia

STRATY POLARYZACYJNE (=RELAKSACYJNE) – występują jedynie przy napięciu przemiennym. Charakteryzują się maksimum strat w zależności tgδ od częstotliwości i temp. Maksimum strat występuje przy częstotliwościach rezonansowych w polaryzacji elektronowej i jonowej oraz przy częstotliwościach relaksacyjnych przy polaryzacji dipolowej i makroskopowej. Przebiegi tgδ zależne od temp i częstotliwości zależą od lepkości ośrodka.

• Występowanie maksimum w przebiegu tgδ od f wytłumaczyć można tym, że straty są największe przy danej lepkości ośrodka, gdy dipole nadążają ściśle za zmianami pola elektrycznego.

• Jeżeli częstotliwość jest większa od częstotliwości relaksacyjnej to dipole nie nadążą za zmianami pola elektrycznego, jeżeli f nadal się zwiększa to wówczas ruchy ich są coraz mniejsze aż znikają – dlatego straty maleją.

• Gdy f < f_relaksacyjne wówczas ruch dipoli trwa krócej niż zmiana kierunku pola, jest zatem mniej obrotów dipoli na sekundę i straty wytwarzane przez te dipole muszą więc maleć.

Przy danej f zmian ruchy dipoli i straty powodowane przez te ruchy będą zależały od lepkości ośrodka a lepkość jest funkcją temp (lepkość maleje ze wzrostem temp).

STRATY JONIZACYJNE – występują w dielektrykach niejednorodnych, przede wszystkim w takich w których istnieją wtrąciny gazowe (np. ceramika), po przekroczeniu napięcia jonizacji U_j – występują przy napięciu przemiennym.

WPŁYW KSZTAŁTU I WIELKOŚCI ELEKTROD NA POJEMNOŚĆ KONDENSATORA RZECZYWISTEGO – dielektryk z naniesionymi elektrodami.

Pojemność kondensatora płaskiego:

; G- geometria,

- pojemność kondensatora z wypełnieniem,

- pojemność kondensatora próżniowego (powietrznego).

Zależność obowiązuje tylko wtedy, gdy pole E całkowicie przebiega w badanym ośrodku. Sytuacja komplikuje się, gdy część pola E przebiega w innym ośrodku niż w badanym.

I przybliżenie:

C=C_I + C_II => C = C_g + C_b

C_I – pole geometrycznie jednorodne, linie pola E równoległe do siebie, pole geometrycznie regularne,

C_II – pole geometrycznie niejednorodne, ale zamyka się na okładkach kondensatora, pole nieregularne,

- pojemność geometryczna,

- pojemność brzegowa,

ogólna pojemność kondensatora: ,

C_r – obszar, w którym linie pola zamykają się na elemencie uziemionym – pojemność rozproszenia.

Pojemnością podstawową do wyznaczenia przenikalności dielektrycznej jest pojemność geometryczna C_g.

• C_g – określone jest grubością i przenikalnością elektryczną ε badanej próbki oraz powierzchnią elektrody pomiarowej.

• C_b – ją określają zależne od rodzaju układu elektrod (wymiary i kształt): obwód elektrody pomiarowej, grubość próbki, grubość elektrody pomiarowej oraz przenikalność elektryczna ε materiału izolacyjnego, przez który przechodzą linie pola brzegowego,

• C_r – jest określone wymiarami kondensatora pomiarowego oraz odległością elektrod od elementów uziemionych.

(Należy wyeliminować wpływ C_r i C_b- pojemności pasożytnicze).

;

C_x – kondensator z dielektrykiem,

C_o – kondensator próżniowy,

MOSTEK GIEBEGO I ZICKNERA

C_x – badana próbka

C_n – kondensator pomiarowy

C₂, C₃, C₄, R₃, R₄ – elementy wzorcowe

Metoda zalecana przez normy między narodowe. Jest to najdokładniejszy mostek. Metoda to służy do kontroli wzorców współczynnika strat dielektrycznych i do pomiarów bardzo małych tgδ. Metoda opiera się na wykorzystaniu mostka Scheringa, przy czym dużą dokładność pomiarów uzyskuje się przez zastosowanie tylko wzorców pojemności i uniezależnienie wyników pomiarów od innych elementów mostka.

WYSOKONAPIĘCIOWE UKŁADY PROBIERCZE

Wytwarzamy układy probiercze:

• Wysokiego napięcia przemiennego 50Hz,

• Wysokiego napięcia stałego,

• Wysokiego napięcia impulsowego (udarowego).

  1. Podstawowy układ probierczy wysokiego napięcia przemiennego 50Hz:

TWN – transformator wysokiego napięcia,

B – bezpiecznik,

W – wyłącznik,

BD – blokada drzwiowa,

L_k – lampka kontrolna,

AT – autotransformator,

R_o – opornik ograniczający prąd,

R_r – opornik tłumiący.

Układ pobierczy składa się z następujących elementów:

• Transformator probierczy,

• Regulator napięcia,

• Wyłącznik,

• Zabezpieczenia,

• Układy pomiarowe.

  2. Układ probierczy wysokiego napięcia stałego – układ jednostopniowy, jednoprostownikowy,

P – prostownik wysokonapięciowy – wyłącznie półprzewodnikowe,

C – kondensator,

O – obciążenie (obiekt badany),

R_o – opornik tłumiący i ograniczający,

TWN – transformator wysokiego napięcia.

Prostownik można wykonać z diod niskonapięciowych (R- opornik, C- kondensator → aby wymusić równomierny rozkład napięcia).

METODY POMIARUWYSOKICH NAPIĘĆ

1. pośrednie – dzielnik wysokich napięć, przekładniki napięcia, pomiary optoelektroniczne,

2. bezpośrednie – metody iskiernikowe, WN woltomierze elektrostatyczne. Przyrząd pomiarowy jest włączony na pełną wartość mierzonego napięcia.

1. Metody pośrednie pomiaru:

• Dzielniki wysokiego napięcia- tworzą go 2 człony impedancyjne Z₁ i Z₂ połączone ze sobą szeregowo. Przekładnia napięciowa dzielnika (współczynnik skali dzielnika): ν=U/U_2. Rodzaje dzielników: rezystancyjne, pojemnościowe, rezystancyjno-pojemnościowe. Inna klasyfikacja: dzielniki napięcia stałego, przemiennego i udarowego.

Rozróżnia się dwa rodzaje rezystywności REZYSTYWNOŚĆ SKROŚNA (objętościowa) ρ_V i REZYSTYWNOŚĆ POWIERZCHNIOWA ρ_s (inaczej przewodzi wnętrze i inaczej powierzchnia). Przyczyną innego przewodzenia prądu na powierzchni i wewnątrz dielektryka jest niewielka różnica rezystancji próbki i otoczenia.

TYPOWE WARTOŚCI REZYSTYWNOŚCI DLA RÓZNYCH MATERIAŁÓW [Ωm]:

• materiał przewodzący Ag i Cu – 10^-8, Fe – 10^-6

• materiał półprzewodzący Ge – 10^-2, Si - 10¹

• materiały dielektryczne 10⁶-10¹⁸

Przewodnictwo dielektryków jest znacznie mniejsza niż przewodników na skutek znacznie większej masy jonów w stosunku do masy elektronów. Ładunek oraz wymiaru jonu jest wielokrotnością ładunku i wymiaru elektronu. Jony są duże ciężkie i nieruchliwe.

CO SIĘ MIERZY ABY OCENIĆ REZYSTYWNOŚĆ

Ocena rezystywności materiałów izolacyjnych opiera się na trzech parametrach

• rezystywności skrośnej ρ_v wyznaczany na podstawie pomiaru rezystancji skrośnej R_v

• rezystywności powierzchniowej ρ_s wyznaczamy na podstawie pomiaru rezystancji powierzchniowej R_s

• rezystancji izolacji R [Ω] – stosunek wartości napięcia stałego doprowadzanego do próbki za pomocą elektrod do wartości ustalonej natężenia prądu płynącego po powierzchni i przez wnętrze próbki (między dwoma elektrodami przylegającymi do powierzchni tej próbki)

Mierzymy rezystancje skrośną i powierzchniową a z nich wyznaczamy rezystywność skrośną i powierzchniową.

REZYSTANCJA SKROŚNA R_V [Ω]– stosunek wartości napięcia stałego doprowadzanego do próbki za pomocą elektrod do wartości ustalonej natężenia prądu płynącego między tymi elektrodami na wskroś próbki bez uwzględnienia prądu płynącego po powierzchni.

REZYSTANCJA POWIERZCHNIOWA R_S [Ω]– stosunek wartości napięcia stałego doprowadzanego do próbki za pomocą elektrod do wartości ustalonej natężenia prądu płynącego na powierzchni.

REZYSTYWNOŚĆ SKROŚNA ρ_V [Ωm]– stosunek wartości natężenia stałego pola elektrycznego doprowadzanego do próbki za pomocą elektrod do wartości ustalonej gęstości prądu płynącego przez wnętrze próbki.

REZYSTYWNOŚĆ POWIERZCHNIOWA ρ_s [Ωm]– stosunek wartości natężenia stałego pola elektrycznego doprowadzanego do próbki za pomocą elektrod do wartości ustalonej gęstości prądu płynącego po powierzchni próbki.

PRZYGOTOWANIE PRÓBEK

1. Kształt i wymiary próbek – określają je normy międzynarodowe

• Płaskorównoległe (okrągłe lub prostokątne), rurowe

• Wymiary płaskorównoległych średnica okrągłych 50-150mm długość boków prostokątnych 50-150mm grubość<10mm

1. Cechy elektrod

• Elektroda nie powinna reagować z nanoszonym materiałem

• Materiał elektrody powinien być odporny na warunki środowiska

• Elektroda musi przylegać do badanej próbki na całej powierzchni

• Musi być nietoksyczna

• Elektroda powinna wykazywać stałe warunki w czasie

1. Rodzaje elektrod i ich sposób nanoszenia

• Elektrody z powłok przewodzących wykonuje się przez nanoszenie różnych lakierów lub past schnących w temp. pokojowej lub podwyższonej zawierających sproszkowany pigment przewodzący np. Au, Ag, Al.

• Elektrody nanoszone przez metalizacje natryskową Cu, Zn, Al, Ag nie nadają się do pomiaru rezystancji powierzchniowej, ponieważ powierzchnia wymaga wstępnej obróbki mechanicznej, która zmienia właściwości powierzchni

• Elektrody napylane w próżni lub napylana katodowo Al, Ag, Au, Pt, Cu stosuje się, jeżeli próbka nie zmienia właściwości w warunkach nanoszenia. Stosuje się ze względu na bardzo dobre przyleganie elektrody do podłoża i ze względów ekonomicznych

• Elektrody wpalane do ceramiki wpala się elektrody do materiałów wytrzymujących wysokie temp. wpalania (600-800^OC)

• Elektrody z metalu ciekłego Hg nie można stosować w podwyższonych temp.

• Elektrody z grafitu koloidalnego nanosi się na próbkę w postaci wodnej lub innej zawiesiny i suszy w normalnych warunkach atmosferycznych. Nie można stosować do materiałów higroskopijnych

• Elektrody z cienkich folii metalowych Al folię przykleja się za pomocą oleju transformatorowego, parafinowego lub silikonowego. P naklejeniu olej należy odparować spod elektrody

POMIAR REZYSTANCJI SKROŚNEJ

Układ dwuelektrodowy	Układ trójelektrodowy

POMIAR REZYSTANCJI POWIERZCHNIOWEJ

Układ dwuelektrodowy	Układ trójelektrodowy

ZALEŻNOŚĆ REZYSTANCJI OD RÓŻNYCH CZYNNIKÓW

• Wpływ napięcia

Prawo Ohma spełnione jest dla przewodników i niezbyt dobrze dla dielektryków i półprzewodników. O nieliniowości świadczy natężenia pola w dielektrykach a nie napięcie.

• Wpływ temperatury

↑T=> ↑rezystancja – dla metali

↑T=> ↓rezystancja – dla dielektryków

wynika to z konduktywności (ona jest f-cją temp)

• Czas

rezystywność zmienia się w f-cji czasu:

1. czas krótki (1 min) – ustalenie się rezystancji w czasie pomiaru- następuje zanik prądu polaryzacyjnego.

2. czas długi – starzenia w czasie eksploatacji- materiał traci właściwości izolacyjne,

   • Wilgotność

Wpływ uzależniony od budowy dielektryka i uwidacznia się szczególnie w dielektrykach tworzących na powierzchni błonę wodną (powierzchnie hydrofilne). Jeżeli materiał nie jest higroskopijny to wilgotność nie powinna wpływać na rezystywność skrośną. Natomiast w przypadku rezystywności powierzchniowej mają wpływ procesy adsorpcyjne- wilgoć i zanieczyszczenia.

ZESPOLONA PRZENIKALNOŚĆ ELEKTRYCZNA UKŁADY ZASTĘPCZE DIELEKTRYKA STRATNEGO

ε – przenikalność elektryczna

tgδ – współczynnik strat dielektrycznych

PRZENIKALNOŚĆ ELEKTRYCZNA WZGLĘDNA – stosunek pojemności C_x kondensatora, w którym przestrzeń między i wokół elektrod jest całkowicie zapełniona badanym dielektrykiem do pojemności C_o, w ten sam sposób rozmieszczonych elektrod w próżni. .

C_x – mierzymy a C_o obliczamy.

WSPÓŁCZYNNIK STRAT DIELEKTRYCZNYCH tgδ

δ – tg kąta strat dielektrycznych jest to kąt dopełniający do π/2 kąt przesunięcia fazowego między sinusoidalnym napięciem doprowadzonym do próbki a składową czynną prądu płynącego przez tą próbkę

WSPÓŁCZYNNIK STRAT DIELEKTRYCZNYCH tgδ – kąt δ(tg kąta strat dielektrycznych) jest to kąt dopełniający do π/2 kąta przesunięcia fazowego między sinusoidalnym napięciem doprowadzonym do badanego materiału (kondensatora) a składową czynną prądu płynącego przez ten materiał (kondensator).

Wymagany jest zakres częstotliwości 10^-5Hz – 70GHz, nie ma jednej metody na pomiar C, tgδ w tym zakresie.

Właściwy pomiar gdy C_x => C_g

- należy wziąć pod uwagę tylko ten obszar, gdzie pole jest jednorodne,

Przy pomiarach C bardzo ważne jest przyleganie elektrod do próbki, aby nie było szczelin.

Sposoby zminimalizowania C_r i C_b:

• Zastosowanie układu trójelektrodowego – z pierścieniem ochronnym pozwala na znaczne ich obniżenie. Przy bardzo wysokich częstotliwościach nie możemy zbadać C w ukł. trójelektrodowym i wtedy stosuje się ukł. dwuelektrodowy. Ukł. pojemności C_r i C_b można uprościć przez zaekranowanie układu i uziemienie jednej elektrody.

C_b, C_r ≈ 0 => C ≈ C_g

• Układ dwuelektrodowy: C= C_g + C_b + C_r,

C_r, C_b należy obliczyć za pomocą wzorów empirycznych (nie są to wzory teoretyczne).

WPŁYW SZCZELINY (sposobu nakładania elektrody) ε – największy błąd spowodowany jest przez cienką warstwę powietrza pomiędzy próbką a elektrodą – błąd jest szczególnie duży, gdy badany materiał ma małą grubość lub jego ε jest bardzo duży.

• Zmniejszenie mierzonego tgδ,

• Im większa szczelina tym większy błąd pomiaru ε,

• Istnienie szczelin powietrznych jest tym krytyczniejsze im większy jest ε badanego materiału,

• Dla materiałów o dużym ε (> 10) przyleganie elektrod do próbki musi być bardzo dobre.

WPŁYW DOPROWADZEŃ PRÓBKI DO UKŁADU POMIAROWEGO NA WYZNACZENIE ε – każdy kabel (doprowadzenie) ma swoje parametry, które trzeba uwzględnić podczas wyznaczania ε.

1. Gdy f < 10⁵ Hz, L_d ≈ 0,

C_d i G_d odgrywają główne role,

1. pomiar kabla (układ bez próbki) C_d i tgδ

2. dołączenie próbki, pomiar C_m i tgδ_m; C_m = C_x + C_d,

3. wyznaczenie C_x i tgδ_x.

   2. Gdy f: 10 MHz-100MHz (wyższe częstotliwości) – największy wpływ ma r_d,

- wypadkowy,

, ,

rezystancja jest funkcją częstotliwości dla f > 1 MHz.

Częstotliwość jest „ukryta” w ω, ale również w r_d (efekt naskórkowości, który pojawia się przy f > 1MHz).

Jak sobie poradzić z r_d (wyeliminować)? – wykonuje się szereg pomiarów dla aparatury, gdzie w miejsce próbki wstawia się kondensator bezstratny (tgδ ≈ 0) bądź stosując kondensator mikrometryczny.

3. Wpływ indukcyjności doprowadzeń L_d dla f>10 MHz (powoduje zakłócenia pomiaru):

Impedancja dla obwodu:

Wykonanie pomiaru w pkt. A wiąże się ze wzrostem pojemności (efektywnej przenikalności elektrycznej), bo: C_m≠C_x i ε_m> ε_x,.

Z fizyki dielektryków wiadomo, że ε nie może rosnąć ze wzrostem częstotliwości. W pewnych zakresach częstotliwości mierzymy C> C_x, czyli ε >ε_x. Jeżeli C (lub ε) rośnie ze wzrostem f to nie jest to efekt materiałowy, ale jest to wpływ indukcyjności doprowadzeń.

Jak wyeliminować wpływ L_d? – można rachunkowo i pomiarowo.

• Pomiarowo – wykonuje się dwa pomiary kondensatora – przy dwóch różnych częstotliwościach. Uzyskuje się układ dwóch równań z dwoma niewiadomymi (L_d i C_x) i je wyznaczamy,

• Minimalizacja wpływu L_d: można stosować kable koncentryczne. Jeśli stosujemy kable płaskie to blisko siebie i unikać kontaktów punktowych.

  1. Dzielnik wysokiego napięcia stałego – do pomiarów wysokich napięć stałych stosuje się zazwyczaj dzielnik rezystancyjne o dużej rezystancji:

; R₁>> R₂;

Duża rezystancja dzielnika zapewnia niewielką moc traconą w dzielniku oraz niewielki wpływ dzielnika na kształt napięcia. Dzielnik WN stałego wykonuje się z bardzo cienkich drutów oporowych oraz oporników warstwowych. Typowa rezystancja: 1MΩ/1kV.

1. Dzielnik wysokiego napięcia przemiennego 50Hz:

;

Ukł. pomiarowy składa się z dzielnika napięcia, linii transmisyjnej sygnału pomiarowego (kabla koncentryczny) i przyrządu pomiarowego.

BADANIE WYBRANYCH WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW ELEKTROIZOLACYJNYCH

Wytrzymałość elektryczna E_p – graniczna wartość natężenia pola elektrycznego powyżej której następuje przebicie izolacji (układu izolacyjnego). [V/m]; [kV/cm]; [MV/cm]; [V/μm]. Wyróżniamy długo- i krótkoterminową.

Przebicie elektryczne- zj zniszczenia właściwości izolacyjnych danego dielektryku lub ukł.

Przeskok elektryczny- specjalna odmiana przebicia będąca wynikiem rozwoju wyładowań wzdłuż powierzchni rozdziału dwu dielektryków.

WYSOKONAPIĘCIOWY MOSTEK SCHERINGA:

C_n –kondensator wzorcowy,

P- moc,

p- straty jednostkowe,

WYŁADOWANI NIEZUPEŁNE:

• Powstaje impuls ładunku elektrycznego,

• Daje efekt akustyczny,

• Towarzyszą zmiany fizykochem. w materiale,

• Towarzyszy wysłanie fali elektromagnet,

• Towarzyszą lokalne wzrosty temp.

Układ szeregowy – impedancja pomiarowa Z_m połączona szeregowo z C_X

Układ równoległy – impedancja pomiarowa Z_m połączona równolegle z C_S

Ukł detekcyjny zawiera: transformator Wn TWN, dzielnik rezystancyjny napięcia R1/R2, impedancję pomiarową Z_n, kondensator sprzęgający C_s, pojemność badanego obiektu C_x.

Ukł rejestracyjny zawiera: wstępny aktywny filtr pasmowy, wzmacniacz wejściowy, przetwornik pasmowy, ukł synchronizacji, mikrokontroler i interfejs do komputera.

DO POMIARU REZYSTANCJI SKROŚNEJ I POWIERZCHNIOWEJ STOSUJE SIĘ UKŁAD TRÓJELEKTRODOWY

1. Układ do pomiaru rezystancji skrośnej

	1 – źródło napięcia pomiarowego 2 – elektroda pomiarowa połączona z miernikiem prądu 3 – elektroda ochronna 4 – elektroda napięciowa

1. Układ do pomiaru rezystancji powierzchniowej

WYMIARY ELEKTROD

	d1 – elektroda pomiarowa średnica nie mniejsza niż 10h i nie mniejsza niż 25mm wybiera się z szeregu 25, 50, 75, 100mm d4 – średnica nie większa niż średnica próbki q >=10mm h – grubość próbki s – szczelina nie mniejsza niż 1mm nie większa niż 2h

Rezystywność skrośna – zależy od składu materiału i jego struktury

Rezystywność powierzchniowa – zależy od stanu powierzchni, więc przeprowadza się badania tylko w warunkach ściśle odtwarzalnego oczyszczenia powierzchni

Rola pierścienia ochronnego:

• Ujednoradnia pole elektryczne

• Eliminuje wpływ prądów powierzchniowych przy pomiarze rezystancji skrośnej i wpływ prądów skrośnych przy pomiarze rezystancji powierzchniowych

DOBÓR NAPIĘCIA POMIAROWEGO

Pomiar wykonuje się przy napięciu stałym doprowadzonym ze stabilnego źródła napięcia. Wybiera się z szeregu napięciowego 1, 2, 5, 10, 25, 50, 100, 250, 500, 1000, 2500, 5000, 10000, 15000V takie żeby natężenie pola elektrycznego w próbce mieściło się w zakresie 0,1-1kV/mm

CZYNNOŚCI POMIAROWE

• Wkładamy próbkę do układu pomiarowego

• Rozładować próbkę – zwiera się elektrody i uziemia przez miernik obserwuje się zmiany prądu w czasie. Rozładowuje się aż prąd płynący w próbce będzie 10 krotnie mniejszy od pomiarowego

• Doprowadzamy napięcie pomiarowe do próbki i jednocześnie włączamy stoper. Obserwujemy wskazania prądu. W przypadku pomiary rezystancji izolacji i powierzchniowej pomiar prądu dokonuje się 60s po włączeniu napięcia. W przypadku pomiaru rezystancji skrośnej jeżeli prąd ustali się do 1min to pomiaru dokonujemy po 1min. W wielu przypadkach prąd nie ustala się w ciągu 1min wtedy wartości odczytuje się po 1, 2, 3, 10, 20, 50, 100min. Oznacza to wprowadzenie w tym przypadku pojęcia rezystywności dynamicznej.

ZALEŻNOŚCI DO OBLICZENIA

1. Rezystywności skrośna

[Ωm] gdzie

A – efektywna powierzchnia

h – grubość próbki

1. Rezystywność powierzchniowa

[Ω] gdzie

B – Efektywny obwód (długość) elektrody pomiarowej

s – szerokość szczeliny

UKŁADY ZASTOSOWANIA DIELEKTRYKA STRATNEGO – prąd i napięcie jest trudniej mierzyć niż impedancję, dlatego rzeczywistemu kondensatorowi przypisuje się odpowiednie układy zastępcze, zbudowane z idealnych elementów (kąty fazowe między prądami a napięciami wynoszą 0 lub π/2. układy zastępcze kondensatora rzeczywistego:

• Szeregowy – z dielektrykiem stratnym:

;

• Równoległy – bardziej efektywny:

; ;

STRATY W DIELEKTRYKACH RZECZYWISTYCH – w układach rzeczywistych występują na ogół straty kilku rodzajów, stosunek wzajemny tych strat, który jest związany z budową i jakością dielektryków, zmienia się wraz ze zmianą temp i częstotliwości. Istotne znaczenie ma dlatego znajomość przebiegów dyspersyjnych tgδ(T, f) dla oceny jakości dielektryków i układu.

W przypadku materiałów niejednorodnych, np. dielektryków zawierających wilgoć – materiały ceramiczne, mika, papier, tworzywa sztuczne z różnymi wypełniaczami – będą charakteryzowały się krzywymi dyspersyjnymi z kilkoma maksimami. Wśród dielektryków ciekłych najmniejsze straty mają:

• Dielektryki ciekłe niepolarne, dobrze oczyszczone, natomiast polarne mogą osiągać znaczne wartości strat.

• Dielektryki stałe, gdy są czyste, straty w nich są znikome (0≤ tgδ ≤ 1).

PS – dielektryk o wiązaniu kowalencyjnym, niepolarny, tgδ=2*10^-4, przeważają straty przewodnościowe (f=1MHz. T=293K),

Żywice fenylowoformaldehydowe tgδ=0,01; straty dipolowo-relaksacyjne (f=1MHz, T=293K),

RODZJE STRAT DIELEKTRYZNYCH

W dielektrykach rzeczywistych po przyłożeniu do nich napięcia występują straty energii. Można je podzielić na rodzaje kierując się przyczynami ich powstawania.

STRATY PRZEWODNOŚCIOWE – są jedynym rodzajem strat występującym w dielektrykach, gdy napięcie jest stałe w obszarze małych natężeń pola elektrycznego. Przy napięciu przemiennym mogą one odgrywać znaczną rolę, gdy dielektryk ma dużą konduktywność objętościową (np. dielektryk jonowy w wysokiej temp).

W dielektrykach w których przy napięciu przemiennym występują tylko straty przewodnościowe tgδ maleje hiperbolicznie wraz ze wzrostem częstotliwości. Straty przewodnościowe rosną natomiast wykładniczą ze wzrostem temp (dlatego, że zależą one od konduktywności); natomiast konduktywność (= przewodność) jest funkcją temp (zależy expotencjalnie). Ponieważ tgδ, w razie występowania w dielektrykach przy napięciu przemiennym tylko strat przewodnościowych, zależy od konduktywności, to tgδ również rośnie wykładniczo ze wzrostem temp.

METODY POMIARU ε i tgδ –

Co nas interesuje pomiarowo? –

ε’ = ε – nie mierzymy tylko obliczamy.

PRZEBIEG BADANIA PRÓBKI:

1. Przygotowanie próbki,

2. Ocena wpływu doprowadzeń,

3. Układ elektrod – stosuje się układ dwuelektrodowy albo trójelektrodowy (czyli z pierścieniem ochronnym). Zadaniem pierścienia ochronnego jest ujednolicenie przebiegu pola elektrycznego i wyeliminowanie wpływu efektów pasożytniczych(zmniejszenie w przybliżeniu do zera pojemności brzegowej i rozproszenowej).

4. Metoda pomiarowa.

Po co wykonuje się te pomiary?

Z teoretycznego pkt widzenia pomiary C i tgδ wykonuje się aby:

• Charakterystyka materiału,

• Wyjaśnienie zjawiska polaryzacji (pomiar ε daje w pewnym stopniu wyjaśnienie mechanizmu polaryzacji),

• Użytkowe wykorzystanie materiałów w szerokim zakresie częstotliwości,

• Badania w niskich częstotliwościach ε, tgδ jest pewną ocena jak materiał się będzie starzeć.

METODY POMIAROWE

1. w zakresie poniżej 20Hz (10^-5-20Hz) – pomiar prądu ładowania i rozładowania kondensatora w funkcji czasu.

2. 50-100kHz (zakres akustyczny, nadakustyczny) – stosujemy metody mostkowe – pomiar metodami mostkowymi, polega na pomiarze poprzez porównanie badanej próbki i elementów wzorcowych tego samego rodzaju w warunkach równowagi mostka. Mostek Scheringa, różnicowy(=transformatorowy).

3. 100kHz – 100MHz – stosuje się metody rezonansowe (pojemność ε wyznacza się metodą podstawienia – porównuje się z elementem wzorcowym); natomiast tgδ z krzywej rezonansowej na podstawie jej wysokości lub szerokości przy zmianie częstotliwości obwodu.

4. 100MHz – 300MHz – specjalne metody rezonansowe,

5. 300MHz – 50GHz – metody mikrofalowe, wykorzystując rezonatory, linie długie, linie koncentryczne,

6. przy GHz – ε = n² → współ załamania światła; metody optyczne.

METODA MOSTKOWA f 50Hz-100kHz

Pomiary bardzo małych tgδ oraz do kontroli wzorców tgδ dla 1kHz,

Dużą dokładność pomiaru uzyskuje się przez zastosowanie tylko wzorców pojemności i uniezależnienie wyników pomiaru od uchyłów wprowadzanych przez wszystkie inne elementy mostka. Etapy pomiaru:

1. zrównoważenie mostka za pomocą C₂ i C₄ przy C_n nastawionym na wartość C_n1, gdzie C_n1<<C_x, przy włączonym C_x i tgδ_x

2. wyłączenie próbki (wyłączone C_x i tgδ_x) i powtórne równoważenie za pomocą kondensatorów C_n i C₄ (C_n2=C_n)

wartości mierzonej pojemności:

C_x=C_n2-C_n1

Tgδ=R₄ΔC₄ω.

BADANIA WYTRTRZYMAŁOŚCI ELEKTRYCZNEJ STAŁYCH MATERIALÓW IZO

Próbki i elektrody:

W f-cji grubości wytrzymałość elektryczna maleje.

PODATNOŚĆ MAGNETYCZNA

Każde ciało umieszczone w polu magnetycznym magnesuje się. Za miarę stopnia namagnesowania przyjmuje się magnetyzację (namagnesowanie). Magnetyzacja M jest to moment magnetyczny, przypadający na jednostkę objętości.

,

H – pole magnetyczne,

Χ – podatność magnetyczna (bezwymiarowa), charakteryzuje reakcję ośrodka na zew pole magnetyczne,

Jeżeli M≠0 to ciało jest namagnesowane. Wszystkie ciała dzielimy w zależności od χ:

• Diamagnetyki (χ< 0) – ich podatność magnetyczna nie zależy od temp i ma małą wartość ujemną rzędu –(0,1-10)*10^-6 [układ CGS]. Należą do nich wszystkie gazy szlachetne, niektóre metale (np. Zn, Hg, Au), niektóre niemetale ( np. Si, S, P) oraz wiele zw org (np. alkohol). Elektron poruszający się po orbicie to analogia do obwodu z prądem. Jeżeli przyłożymy pole mag dojdzie do oddziaływania między elektronem a tym polem (ruch elektronu sprzeciwia się działaniu pola mag).

• Paramagnetyki (0< χ <1) – ich podatność mag zależy od temp.

- prawo Curie.

Przy takim samym natężeniu pola w wyższej temp silniejsze jest oddziaływanie cieplne, a mniej skuteczne porządkujące działanie pola, a więc mniejsza podatność magnetyczna. Np. Al., Pt, Cr oraz ich sole np. chlorek żelaza.

• Ferromagnetyki (χ<< 1) – materiały o uporządkowanej strukturze krystalicznej, metale przejściowe, np. Fe, Co, Ni. Dla temp T>T_C ferromagnetyk traci swoje właściwości stając się paramagnetykiem:

; T> T_c;

T_C – temp Curie – temp graniczna , w której następuje przemiana fazowa.

Cechą charakterystyczną ferromagnetyków jest silnie nieliniowa zależność M= f(H). Podatność mag ferromagnetyków nie jest stała i zależy od natężenia pola mag. Postać krzywej magnesowania tzw. Pętla histerezy:

Odcinek 0-1 to pierwotna krzywa magnesowania. W pkt.1 materiał osiąga stan nasycenia. Pkt.2 i 5 określają tzw. Pozostałość magnetyczną B_r materiału (= magnetyzm szczątkowy). Pkt.3 i 4 określają pole koercji H_c, czyli natężenie jakie trzeba wymusić w przeciwnym kierunku, aby zlikwidować magnetyzm szczątkowy. Z pętlą histerezy związane są straty elektryczne. Jeżeli straty są małe (wąska pętla) to mamy do czynienia z ferromagnetykami miękkimi – dobrze nadają się do pracy przemiennymi polami magnet., gdyż łatwo przemagnesowują się przy zmianach kierunku zew. pola mag (np. Fe i jego stopy, sole Si). Jeżeli pętla histerezy jest duża mamy do czynienia z ferromagnetykami twardymi. Do ich przemagnesowania potrzebne są bardzo silne zew. pola mag. Są one stosowane najczęściej do wytwarzania magnesów trwałych. Należą do nich stale, np. węglowe, wolframowe, chromowe, kobaltowe.

METODA OSCYLOSKOPOWA

Metodą tą bada się próbki pierścieniowe i można ją stosować do badania materiałów magnetycznych w polach zmiennych o częstotliwości do 5MHz. Błąd pomiaru wynosi kilka %. Poza tym jest metodą bezpośrednią, dająca w wyniku szukana pętle histerezy w postaci gotowej krzywej:

Pętlę histerezy badanej próbki otrzymuje się na ekranie oscylografu doprowadzając do jego płytek poziomych sygnał napięcia proporcjonalny do natężenia pola, a do płytek pionowych – sygnał proporcjonalny do indukcji:

H~i,

Badana próbka pierścieniowa ma dwa uzwojenia: pierwotne(z1) – magnesujące i wtórne (z2) – przetwarzające indukcję na sygnał napięcia. Napięcie proporcjonalne do natężenia pola w próbce otrzymuje się z opornika R₁ połączonego z szeregowo z uzwojeniami magnesującymi

; U₁~H.

Siła elektromotoryczna indukująca się w uzwojeniu wtórnym jest proporcjonalna do pochodnej indukcji B(t) w próbce

.

Aby otrzymać sygnał proporcjonalny do chwilowych wartości indukcji, przebieg siły elektromotorycznej z uzwojenia wtórnego podaje się na układ całkujący.

Napięcie na wyjściu tego układu wynosi:

.