В чем измеряется удельное объемное сопротивление

8

Удельное поверхностное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление является физической величиной, которая показывает, в какой степени материал может сопротивляться прохождению через него электрического тока. Некоторые люди могут перепутать данную характеристику с обыкновенным электрическим сопротивлением. Несмотря на схожесть понятий, разница между ними заключается в том, что удельное касается веществ, а второй термин относится исключительно к проводникам и зависит от материала их изготовления.

Обратной величиной данного материала является удельная электрическая проводимость. Чем выше этот параметр, тем лучше проходит ток по веществу. Соответственно, чем выше сопротивление, тем больше потерь предвидится на выходе.

Формула расчета и величина измерения

Рассматривая, в чем измеряется удельное электрическое сопротивление, также можно проследить связь с не удельным, так как для обозначения параметра используются единицы Ом·м. Сама величина обозначается как ρ. С таким значением можно определять сопротивление вещества в конкретном случае, исходя из его размеров. Эта единица измерения соответствует системе СИ, но могут встречаться и другие варианты. В технике периодически можно увидеть устаревшее обозначение Ом·мм2/м. Для перевода из этой системы в международного не потребуется использовать сложные формулы, так как 1 Ом·мм2/м равняется 10-6 Ом·м.

Формула удельного электрического сопротивления выглядит следующим образом:

R= (ρ·l)/S, где:

• R – сопротивление проводника;
• Ρ – удельное сопротивление материал;
• l – длина проводника;
• S – сечение проводника.

Ток, проходящий через электрическую изоляцию в установившемся режиме (после достаточно продолжительного промежутка времени после приложения напряжения), является постоянным и называется сквозным током утечки. Величина сопротивления изоляции Rиз равна отношению приложенного напряжения U, В к сквозному току утечки Iиз, А:

Величина проводимости изоляции Gиз является обратной к Rиз:

Различают объемное сопротивление электрической изоляции, равное сопротивлению через толщу материала, и поверхностное сопротивление, которое определяется наличием загрязнений (влага, растворы солей, кислот), нарушениями структуры поверхности, поскольку поверхность диэлектрика в большей степени подвержена воздействию внешних факторов. Соответственно, различают и токи утечки – на объемный и поверхностный (рис. 1).

Рис. 1. Объемный Iv и поверхностный Is токи утечки через образец изоляции.

Порядок величины токов составляет очень малые величины до10-15 и даже до 10-17 А. Поэтому особое внимание при проведении измерений уделяют устранению паразитных токов утечки, которые могут существенно повлиять на точность получаемых результатов.

Для исключения поверхностного тока утечки при измерении объемного электрического сопротивления диэлектриков применяют специальное охранное кольцо, окружающее измерительный электрод. При этом потенциал охранного кольца равен потенциалу измерительного электрода, именно в этом случае ток утечки между ними будет отсутствовать (рис. 2).

Рис. 2. Расположение концентрических электродов при измерении объемного сопротивления диэлектрика.

1 — охранное кольцо; 2- центральный электрод; 3- нижний электрод.

Для измерений применяют напыленные или фольговые электроды, которые вырезают из оловянной или отожженной алюминиевой фольги толщиной 5–20 мкм. Контакт фольгового электрода с образцом создается путем притирания с помощью тонкого слоя вазелина, трансформаторного, конденсаторного или вазелинового масла, кремнийорганической жидкости или другого аналогичного вещества. Толщина смазки не должна превышать 1 мкм.

Тогда удельное объемное сопротивление материала может быть рассчитано по формуле:

ρV = RV × S / h = U × S/( IV × h),

где IV – измеряемый объемный ток; U – напряжение на электродах; S – площадь центрального измерительного электрода; h – толщина диэлектрика; RV– объемное сопротивление образца.

При измерении поверхностного электрического сопротивления диэлектрика при данной системе электродов напряжение прикладывается между охранным кольцом и центральным электродом.

В такой системе удельное поверхностное сопротивление может быть рассчитано по формуле:

где RS– поверхностное электрическое сопротивление образца диэлектрика, заключенного между электродами; d1 – внутренний диаметр охранного кольца; d2 – диаметр центрального электрода.

Удельное объемное сопротивление имеет размерность [Ом×м], а удельное поверхностное – [Ом]. Это разные физические величины, которые нельзя сравнивать друг с другом.

При измерении сопротивления электрической изоляции следует учесть, что в первый момент времени выдержки под напряжением через нее протекает не только сквозной электрический ток, но и сопровождающий его ток абсорбции (смещения), связанный с установлением замедленных видов поляризации (рис. 3).

Электропроводность диэлектрика определяется при постоянном напряжении по величине сквозного тока, значение сопротивления образца вычисляется по формуле: Rиз = U / Iиз = U / ( IΣ – Iабс), где Iиз – сквозной ток утечки, IΣ – суммарное значение тока, Iабс – ток абсорбции.

Следовательно, если измерить сопротивление изоляции в первый же момент приложения напряжения, то можно получить его завышенное значение.

В связи с тем, что величины токов абсорбции очень малы, измерять их крайне сложно. Поэтому сопротивление изоляции принято измерять после 1 минуты выдержки образца под постоянным напряжением. Считается, что за это время поляризационные процессы, вносящие основной вклад в ток абсорбции диэлектрика, закончатся.

Рис. 3. Зависимость тока через диэлектрик от времени

Iиз – сквозной ток утечки;

IΣ – суммарное значение тока;

Iабс – ток абсорбции.

Вас также может заинтересовать:

• Общие сведения о диэлектриках
• Электрическое старение изоляции
• Частичные разряды
• Анализ процесса отверждения
• Кинетика отверждения

Зависимость от температуры

Удельное электрическое сопротивление зависит от температуры. Но все группы веществ проявляют себя по-разному при ее изменении. Это необходимо учитывать при расчете проводов, которые будут работать в определенных условиях. К примеру, на улице, где значения температуры зависят от времени года, необходимые материалы с меньшей подверженностью изменениям в диапазоне от -30 до +30 градусов Цельсия. Если же планируется применение в технике, которая будет работать в одних и тех же условиях, то здесь также нужно оптимизировать проводку под конкретные параметры. Материал всегда подбирается с учетом эксплуатации.

В номинальной таблице удельное электрическое сопротивление берется при температуре 0 градусов Цельсия. Повышение показателей данного параметра при нагреве материала обусловлено тем, что интенсивность передвижения атомов в веществе начинает возрастать. Носители электрических зарядов хаотично рассеиваются во всех направлениях, что приводит к созданию препятствий при передвижении частиц. Величина электрического потока снижается.

При уменьшении температуры условия прохождения тока становятся лучше. При достижении определенной температуры, которая для каждого металла будет отличаться, появляется сверхпроводимость, при которой рассматриваемая характеристика почти достигает нуля.

Отличия в параметрах порой достигают очень больших значений. Те материалы, которые обладают высокими показателями, могут использовать в качестве изоляторов. Они помогают защищать проводку от замыкания и ненамеренного контакта с человеком. Некоторые вещества вообще не применимы для электротехники, если у них высокое значение этого параметра. Этому могут мешать другие свойства. Например, удельная электрическая проводимость воды не будет иметь большого значения для данный сферы. Здесь приведены значения некоторых веществ с высокими показателями.

Более активно в электротехнике применяются вещества с низкими показателями. Зачастую это металлы, которые служат проводниками. В них также наблюдается много различий. Чтобы узнать удельное электрическое сопротивление меди или других материалов, стоит посмотреть в справочную таблицу.

Удельное поверхностное сопротивление

rs численно равно сопротивлению квадрата (мысленно выделенного на поверхности исследуемого материала), если ток протекает через две противоположные стороны этого квадрата

где Rs–поверхностное сопротивление материала (2) между поставленными электродами (1) шириной d

и на расстоянии
l
(рисунок)
.
Удельное поверхностное сопротивление диэлектриков является параметром диэлектрика и зависит от природы диэлектрика, температуры, влажности и приложенного напряжения.

Рисунок — Расположение электродов для измерения поверхностного сопротивления материала

Вода обладает значительной проводимостью. Достаточно тончайшего слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы обнаружить заметную проводимость, которая определяется в основном толщиной этого слоя.

Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги, загрязнениями и различными дефектами поверхности диэлектрика.

Сильно увлажняются полярные и пористые диэлектрики. rs диэлектриков связано с величиной краевого угла смачивания и твердостью диэлектрика. Как видно из таблицы -чем меньше краевой угол и выше твердость, тем ниже rs увлажненного диэлектрика.

К гидрофобным диэлектрикам относятся неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой, поэтому при помещении диэлектрика во влажную среду его поверхностная электропроводность практически не меняется.

К гидрофильным диэлектрикам относятся полярные и большинство ионных диэлектрики со смачиваемой поверхностью. При помещении диэлектрика во влажную среду его поверхностная электропроводность увеличивается. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков могут прилипать различные загрязнения, также приводящие к росту поверхностной проводимости.

К «промежуточным» диэлектрикам условно относят слабополярные диэлектрики (например, лавсан).

При нагревании увлажненной изоляции rs материалов может расти с повышением температуры и уменьшаться после высушивания.

При низких температурахrs высушенного материала имеет значительно более высокие значения (на 6–7 порядков выше) по сравнению с образцом, находящемся во влажной среде.

Для увеличения значенияrs диэлектриков пользуются различными технологическими приемами: промывкой в кипящей дистиллированной воде или растворителях в зависимости от вида диэлектрика, прогреванием до достаточно высокой температуры, покрытием поверхности влагостойкими лаками, глазурями, размещением изделий в защитных корпусах и оболочках и т.д.

Регулирование теплофизических свойств полимерных материалов

К теплофизическим свойствам относят тепло- и температуропроводность, теплоемкость, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения. Эти свойства базовых полимеров приведены в табл.

Теплофизические свойства полимеров имеют большое значение, т.к. от них зависят технологические и эксплуатационные свойства материалов.

При создании конструкционных полимерных материалов с заданными свойствами часто возникает задача регулирования теплофизических свойств. Несмотря на то, что теплофизические свойства различных базовых полимеров достаточно близки и отличаются всего в несколько раз, применение добавок позволяет создавать композиционные полимерные материалы, у которых эти свойства отличаются в десятки и сотни раз.

Так, теплопроводность полимеров может быть резко уменьшена путем создания ячеистой структуры полимера, т.е. создания газонаполненных материалов. Широко известны и применяются при создании теплоизоляционных материалов в машиностроении и строительстве пенопласты на основе полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена, полиуретана и других полимеров.

Увеличение теплопроводности полимеров достигается путем введения в композицию металлических наполнителей (порошкообразных или волокнистых), графита, углеродных тканей и других материалов с высокой тепло-, электропроводностью. Содержание наполнителя для этих целей составляет 40-60 % по объему.

Таблица -Теплофизические свойства некоторых полимеров

Кафедра Химической технологии органических покрытий

Специальность 24.05.01 — Химическая технология высокомолекулярных соединений

Цикл дисциплин : Поверхностные явления в адгезированных системах

Преподаватель Кораблева О.Н.

Использование в электротехнике

Изменение параметра при разных температурах широко применяется в электротехнике. Наиболее простым примером является лампа накаливания, где используется нихромовая нить. При нагревании она начинает светиться. При прохождении через нее тока она начинает нагреваться. С ростом нагрева возрастает и сопротивление. Соответственно, ограничивается первоначальный ток, который нужен был для получения освещения. Нихромовая спираль, используя тот же принцип, может стать регулятором на различных аппаратах.

Широкое применение коснулось и благородных металлов, которые обладают подходящими характеристиками для электротехники. Для ответственных схем, которым требуется быстродействие, подбираются серебряные контакты. Они обладают высокой стоимостью, но с учетом относительно небольшого количества материалов их применение вполне оправданно. Медь уступает серебру по проводимости, но обладает более доступной ценой, благодаря чему ее чаще используют для создания проводов.

В условиях, где можно использовать предельно низкие температуры, применяются сверхпроводники. Для комнатной температуры и уличной эксплуатации они не всегда уместны, так как при повышении температуры их проводимость начнет падать, поэтому для таких условий лидерами остаются алюминий, медь и серебро.

На практике учитывается много параметров и этот является одним из наиболее важных. Все расчеты проводятся еще на стадии проектирования, для чего и используются справочные материалы.

Удельное объёмное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление, или просто удельное сопротивление вещества характеризует его способность проводить электрический ток. Единица измерения удельного сопротивления в СИ — ом·метр (Ом·м); в технике часто применяется производная единица: Ом·мм²/м, равная 10 −6 от 1 Ом·м. Величина удельного сопротивления обозначается символом ρ (ро)

Физический смысл удельного сопротивления: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 м².

Сопротивление проводника с удельным сопротивлением ρ, длинной l и площадью сечения S может быть рассчитано по формуле: (Ом*м) где R_v — объемное сопротивление образца; S — площадь электрода; d — толщина образца.

Удельное поверхностное сопротивление ρ_s, численно равно сопротивлению квадрата любого размера на поверхности материала при прохождении электрического тока через две его противоположные стороны. Для плоского образца диэлектрика (рис. 4.7) величина удельного поверхностного сопротивления определяется: (Ом) где R_s — поверхностное сопротивление образца; h — ширина электрода; l — расстояние между электродами.

Основной причиной появления поверхностной проводимости является влага, оседающая на поверхности диэлектрика. Полная проводимость твердого диэлектрика, соответствующая его сопротивлению изоляции складывается из его объемной и поверхностной проводимости. Сопротивление изоляции:

В случае измерения R_V верхний электрод (1) является измерительным и имеет нулевой потенциал. Охранное кольцо (2) также имеет нулевой потенциал и необходимо для исключения поверхностных токов. Нижний электрод (3) является потенциальным и необходим для создания электрического поля в исследуемом образце. При измерении R_S охранное кольцо (2) выступает в роли потенциального электрода, а нижний электрод (3) становится заземленным. Режим измерения выбирается с помощью переключателя (R_V / R_S). Измерительная ячейка с исследуемым образцом помещены в термостат, который дает возможность исследовать температурные зависимости R_V(T) и R_S(T).

Относительная диэлектрическая проницаемость. Факторы, влияющие на относительную диэлектрическую проницаемость.

Мерой поляризации диэлектрика является относительная диэлектрическая проницаемость. ОДП: где D — электрическая индукция, (Кл/м 2 ), которая характеризует количество заряда, протекающего через некоторую поверхность, отнесенного к этой поверхности; Е — напряженность электрического поля, (В/м); ε₀ = 8,85·10 — 12 Ф/м — электрическая постоянная. Относительная диэлектрическая проницаемость (ε) показывает во сколько раз емкость конденсатора (С_д) с диэлектриком больше емкости того же конденсатора, между обкладками которого вакуум (С_о): . Относительная диэлектрическая проницаемость газов близка к единице (ε_{воздуха} = 1,006), относительная диэлектрическая проницаемость жидкостей зависит от их полярности и меняется от 2 до 10 (у высоко полярных жидкостей может достигать 30), ′ твердых веществ колеблется от 2 до 10 5 и более (керамика). Электронная поляризация: Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков не зависит от частоты электрического поля, вплоть до резонансной (10 16 – 10 17 Гц) (рис. 4.1, а). При росте температуры величина ε уменьшается из-за уменьшения плотности вещества, для неполярных полимеров наблюдается резкий скачок при температуре плавления (рис. 4.1, б).

Ионная поляризация: Относительная диэлектрическая проницаемость веществ, характеризующихся ионной поляризацией, также не зависит от частоты вплоть до резонансной (рис. 4.3, а). При росте температуры величина ε обычно возрастает, так как из-за уменьшения величины силы упругих связей увеличивается подвижность ионов (рис. 4.3, б), однако если ионная поляризация в веществе по своей значимости уступает электронной, то зависимость ε от температуры может иметь спадающий характер.

Дипольная поляризация: Для полярных диэлектриков до частоты равной 10 6 – 10 8 Гц величина ε практически не меняется, но когда период изменения внешнего электрического поля становится соизмеримым со временем установления дипольной поляризации, диэлектрическая проницаемость уменьшается до значения ε, соответствующего электронной поляризации (рис. 4.4, а). С ростом температуры вязкость вещества падает, следовательно, подвижность диполей, сегментов и радикалов увеличивается и ε возрастает, но при достижении определенной температуры Т*, тепловое движение будет настолько велико, что оно станет мешать ориентации диполей по направлению поля и ε постепенно станет уменьшаться (рис. 4.4, б).

Спонтанная поляризация присуща сегнетоэлектрикам, величина ε, может достигать 10000 и более. С ростом температуры относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков растет вплоть до температуры Кюри (Т_к), после достижения, которой ε резко падает.

Основные требования к электрофизическим свойствам жидких диэлектриков.

Электроизоляционные жидкости должны обеспечивать изоляцию токоведущих частей электрооборудования (трансформаторов, кабелей и др.), являться диэлектрической средой с высокой диэлектрической проницаемостью в конденсаторах, служить теплоотводящей средой, а также способствовать быстрому гашению электрической дуги в выключателях. Требования к жидким диэлектрикам определяются конструкцией оборудования, в котором они используются, а также условиями эксплуатации и экологической безопасностью. Электрическая прочность пропитывающих жидкостей должна быть высокой. Наряду с примесями на электрическую прочность жидкостей оказывает влияние также вид, длительность и значение приложенного напряжения, а также форма, материал и состояние поверхности электродов. Величина тангенса диэлектрических потерь пропитывающей жидкости должна быть минимальной. Величина tgδ зависит как от химической природы жидкости, так и от степени ее загрязнения различными примесями. Электрическое сопротивление пропитывающей жидкости должно быть высоким. Величина относительной диэлектрической проницаемости пропитывающей жидкости выбирается в зависимости от особенностей изоляции электрооборудования. Для изоляции трансформаторов и кабелей важно, чтобы значения ε пропитывающей жидкости и твердого изоляционного материала были бы достаточно близкими. В ряде случаев (например, для кабельной изоляции) величина относительной диэлектрической проницаемости должна быть минимальной, чтобы увеличить пропускную способность кабеля. Наоборот, для электрических конденсаторов необходимы пропитывающие жидкости с максимальным значением ε для увеличения удельных параметров конденсаторов. Стойкость к воздействию электрического поля (газостойкость) Пропитывающие жидкости для изоляции высоковольтного электрооборудования (конденсаторов, кабелей) должны характеризоваться высоким значением напряжения возникновения частичных разрядов (U_ЧР), низкой амплитудой и частотой повторения импульсов частичных разрядов (Q_ЧР, n_ЧР) и высокой способностью поглощать газообразные продукты старения. Определенный уровень вязкости, стабильность против окисления. Безопасность. Электроизоляционные жидкости должны быть негорючими, а смеси их паров с воздухом взрывобезопасными. Электроизоляционные жидкости должны быть совместимыми с твердой изоляцией и конструктивными материалами, используемыми в электрооборудовании Высокая способность пропитывающих жидкостей быстро и достаточно полно разрушаться под действием солнечной радиации и микроорганизмов (биодеградация)

Ни один из существующих жидких диэлектриков полностью не удовлетворяет этим требованиям. Поэтому при выборе жидкого диэлектрика обеспечивают их соответствие важнейшим требованиям, а наименее важными пренебрегают, недостатки диэлектрика компенсируют, вводя ограничения на условия эксплуатации

Проводники. Термо-э.д.с. Сплавы для термопар.

Проводники – материалы, имеющие свободные заряды, которые могут перемещаться в объеме проводника под действием сколь угодно малого внешнего электрического поля В электрической цепи, составленной из двух различных проводников, контакты которых находятся при различных температурах, возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). Причины возникновения термо-ЭДС: 1. Разность в работе выхода электронов в проводниках; 2. Различие концентраций квазисвободных электронов в соединенных проводниках. Т2>Т1

Термо-ЭДС (u) в цепи, составленной из двух различных проводников А и В, определяется следующим выражением:

,где k – коэффициент Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура; n_A – концентрация квазисвободных электронов в материале А; n_В – концентрация квазисвободных электронов в материале В; Ψ – термоэлектрический коэффициент. Термо-ЭДС, возникающая в месте контакта двух проводников, может быть использована в двух вариантах: 1. Если надо создать термопару, используемую для измерения температуры, необходимо подобрать проводники так, чтобы u была максимальна. 2. Если надо избежать возникновения паразитных ЭДС в электрической схеме, то следует подбирать такие проводники, чтобы u была минимальна. Сплавы для термопар. Сплавы на основе меди. Константан — (60 % Cu + 40 % Ni). Особенности константана: в контакте с медью он дает высокое значение термо-ЭДС, порядка 50 мкВ/°С. Интервал рабочих температур: (− 273 ÷ 400) ºС, кратковременно до 700 ºС; имеется слабая зависимость удельного электрического сопротивления от температуры. Копель — (56 % Cu + 44 % Ni). В сплав также входит небольшое количество кобальта. Сплавы на основе никеля. Алюмель — (95 % Ni + 5 % (Al, Si, Mn, Co)), его рабочая температура достигает 600 °С. Хромель — (90 % Ni + 10 % Cr + 1 % Co), его рабочая температура до 1000 °С.

Измерение удельного сопротивления диэлектриков

Фундаментальное свойство диэлектриков – это удельное сопротивление. Удельное сопротивление может быть использовано для определения пробоя диэлектрика, тангенса угла потерь, содержание влаги, механической целостности и других важных свойств материала. Для измерения таких больших величин сопротивления диэлектриков существуют специальные измерительные приборы – электрометры и используются они благодаря их способности измерять малые токи.

От чего зависит удельное сопротивление?

Удельное сопротивление диэлектрика — это измерение источника известного напряжения, приложенного к образцу, измерение полученного тока и расчета сопротивления с помощью закона Ома. После измерения сопротивления, удельное сопротивление определяется на основе физических параметров испытуемого образца.

Удельное сопротивление зависит от нескольких факторов. Во-первых, оно зависит от приложенного напряжения. Иногда напряжение может изменяться умышленно, чтобы определить зависимость напряжения диэлектрика. Удельное сопротивление также варьируется в зависимости от продолжительности времени, электрификации. Чем больше напряжение, тем выше сопротивление, потому что материал продолжает заряжаться в геометрической прогрессии. Экологические факторы также влияют на удельное сопротивление диэлектрика. В общем, чем выше влажность, тем ниже сопротивление.

Для получения точных сведений теста нужно, чтобы приложенное напряжение, время электрификации и условия окружающей среды должны быть постоянными.

Удельное поверхностное сопротивление

Поверхностное сопротивление (Ом/квадрат) — способность пропускать электрический ток по поверхности диэлектрика — определяется как электрическое сопротивление поверхности диэлектрического материала. Измерение происходит от электрода к электроду вдоль поверхности образца диэлектрика. Так как длина поверхности фиксированная, то измерение не зависит от физических размеров (т.е. толщины и диаметра) образца диэлектрика.

Объемное удельное электрическое сопротивление

Объемное удельное сопротивление (Ом*см) — способность пропускать электрический ток через его объем — измеряется путем приложения потенциала напряжения на противоположных сторонах образца диэлектрика и измерения результирующего тока через образец.

Удельное объемное электрическое сопротивление определяется как электрическое сопротивление с помощью куба из диэлектрического материала.

Если значение выражено в Ом*см, то это измерение электрического сопротивления через 1 сантиметр куба диэлектрического материала. Если выражено в Ом*Дюйм, то это электрическое сопротивление через 1 дюйм куба изоляционного материала.

Приборы для измерения удельного сопротивления диэлектриков

Измерения поверхностного и объемного удельного сопротивления производятся с помощью электрометра Keithley 6517B совместно с испытательной камерой удельного сопротивления Keithley 8009.

Ниже указана ссылка, где Вы можете прочитать подробнее об измерениях удельного сопротивления при помощи электрометра Keithley 6517B >>

и тестовой оснастки (испытательной камеры удельного сопротивления) Keithley 8009 >>>