Đo điện trở và điện trở suất của điện môi rắn

Trong thöïc teá, caùc vaät lieäu caùch ñieän ñeàu coù moät ñieän daãn nhaát ñònh. Trò soá naøy lôùn hay beù tuyø thuoäc vaøo töøng loaïi ñieän moâi vaø ñieän kieän laøm vieäc cuûa chuùng. Do ôû vaät lieäu caùch ñieän raén toàn taïi nhöõng haït mang ñieän töï do (coù theå laø ñieän töû, ion, hoaêc molion: nhoùm nguyeân töû mang ñieän tích..). Caùc haït mang ñieän naøy coù theå taïo ra bôûi caùc yeáu toá khaùch quan (do caùc nhaân toá ion hoaù beân ngoaøi) hoaëc caùc yeáu toá chuû quan ( trong quaù trình cheá taïo khoâng khöû ñöôïc hoaøn toaøn caùc ion daãn ñieän) vaø chuùng toàn taïi khoâng chæ beân trong theå tích cuûa ñieän moâi maø coøn hieän dieän trong caùc lôùp aåm, buïi baån moûng baùm vaøo beà maët cuûa ñieän moâi. Do ñoù, döôùi taùc duïng cuûa ñieän aùp, caùc ñieän tích töï do naøy seõ chuyeån dòch taïo thaønh doøng ñieän khoâng chæ ñi xuyeân qua theå tích cuûa ñieän moâi maø coøn coù khaû naêng ñi men theo beà maët cuûa ñieän moâi. Khi quaù trình daãn ñieän oån ñònh, hay noùi moät caùch khaùc ñi laø sau moät khoaûng thôøi gian ñuû lôùn ñaët ñieän aùp moät chieàu leân ñieän moâi seõ xuaát hieän moät doøng ñi qua ñoaïn caùch ñieän. Doøng ñieän naøy ñöôïc goïi laø doøng

THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU HỌC ĐẠI CƯƠNG ĐO ĐIỆN TRỞ VÀ ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA ĐIỆN MÔI RẮN MỤC ĐÍCH Nghiên cứu đặc tính Vôn – Ampe vật liệu cách điện rắn Nghiên cứu quan hệ điện trở suất vật liệu cách điện rắn theo điện áp DC đặt vào Nghiên cứu quan hệ điện trở vật liệu cách điện rắn theo thời gian tác dụng điện áp LÝ THUYẾT: Trong thực tế, vật liệu cách điện có điện dẫn định Trị số lớn hay bé tuỳ thuộc vào loại điện môi điện kiện làm việc chúng Do vật liệu cách điện rắn tồn hạt mang điện tự (có thể điện tử, ion, hoăc molion: nhóm nguyên tử mang điện tích ) Các hạt mang điện tạo yếu tố khách quan (do nhân tố ion hoá bên ngoài) yếu tố chủ quan ( trình chế tạo không khử hoàn toàn ion dẫn điện) chúng tồn không bên thể tích điện môi mà diện lớp ẩm, bụi bẩn mỏng bám vào bề mặt điện môi Do đó, tác dụng điện áp, điện tích tự chuyển dịch tạo thành dòng điện không xuyên qua thể tích điện môi mà có khả men theo bề mặt điện môi Khi trình dẫn điện ổn định, hay nói cách khác sau khoảng thời gian đủ lớn đặt điện áp chiều lên điện môi xuất dòng qua đoạn cách điện Dòng điện gọi dòng điện rò( hình ) Như vậy, dòng điện rò( I) gồm hai thành phần: dòng điện khối Iv dòng điện mặt Is Ta có: I = Is + Iv hay 1   R R s Rv Hay ta có: G = Gs + Gv Với : R : điện trở điện môi (Ω) Rs: điện trở mặt điện môi (Ω) Hình 1: Dòng điện rò qua lớp điện môi rắn Rv: điện trở khối điện môi (Ω) G: điện dẫn điện môi (Simen) hay (1/ Ω) Vậy, điện trở lớp cách điện xác định kết hai điện trở mắc song song điện trở mặt điện trở khối Như điện môi rắn tồn hai loại điện trở điện trở mặt điện trở khối Tương ứng với hai loại điện trở điện trở suất khối ρv ( hay điện dẫn suất khối γv ) điện trở suất mặt ρs (hay điện dẫn suất mặt γ s ) Các đại lượng có ý nghóa quan trọng, nói lên phẩm chất vật liệu cách điện thường dùng chúng để đánh giá so sánh khả cách điện loại vật liệu khác XÁC ĐỊNH ĐIỆN TRỞ VÀ ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN RẮN Như biết, dịch chuyển hạt mang điện tự men theo bề mặt điện môi làm phát sinh dòng điện mặt Is, từ xác định điện trở suất mặt ρs điện môi Tương tự, điện tích chuyển động tự xuyên qua bề dày điện môi phát sinh dòng điện khối Iv từ xác định điện trở suất khối ρv Tuy nhiên, thực tế, đặt điện áp lên điện môi điện môi xuất đồng thờ hai loại dòng điện Is Iv Do đó, để xác định điện trở suất mặt ta cần đo Is khử bỏ Iv ngược lại Để thực điều nói trên, người ta sử dụng hệ thống gồm điện cực: - Cực đo lường: nối với ampe kế - Cực cao áp: nối với nguồn điện - Cực bảo vệ: nối Masse ( khử bỏ dòng không cần thiết) Hình 2: Máy đo Sefelec M1500P 2.1 Tính toán điện trở suất khối Để đo điện trở suất khối Rv mẫu điện môi phẳng ta bố trí cực đo theo sơ đồ sau: (hình 3) Đường kính hình vành khuyên Đường kính hình vành khuyên Hình 3: Sơ đồ mắc dây đo điện trở khối Theo sơ đồ này, tác dụng điện áp U đặt lên điện môi xuất dòng điện khối Iv từ cực cao ( cực dương ) xuyên qua điện môi 3, đến cực đo lường ghi lại ampe kế có độ xác cao Đồng thời dòng điện mặt Is từ cực cao men theo bề mặt điện môi 3, đến cực bảo vệ xuống Masse Dòng điện không qua ampe kế Như vậy, sơ đồ này, giá trị ghi ampe kế dòng Iv Công thức để tính toán điện trở vật liệu bất kỳ: R L S (1) Ở đây: - L: bề dày hay chiều dài vật liệu (m) - S: Tiết diện vật liệu có dòng điện qua (m2) - ρ : Điện trở suất vật liệu (Ωm) Như vậy, điện trở Rv phần điện môi nằm hai điện cực đo lường cao áp với kích thước cho (hình 3) có dạng sau: Rv   v h d tb / (2) Ở đây: - Rv: Điện trở khối phần điện môi có bề dày h nằm hai điện cực có kích thước trung bình là: d tb  d1  d 2 Công thức (2) viết lại: v  d tb2 Rv 4h d tb2  0.785Rv h ( dtb = 55 mm) (3) Như biết giá trị Rv ta xác định điện trở suất khối điện môi theo công thức (3) 2.2 Tính toán điện trở suất mặt Ta bố trí điện cực để đo điện trở mặt vật liệu điện môi hình Hình 4: Sơ đồ mắc dây đo điện trở suất mặt Để đo điện trở suất mặt Rs mẫu phẳng sử dụng hệ thống điện cực trường hợp Rv Tuy nhiên vị trí điện cực thay đổi: cực đo lường giữ nguyên, cực cao áp cực vành trụ khăn cực bảo vệ đặt phía điện môi Cực bảo vệ đưa dòng Iv Masse Xét mẫu điện môi phẳng với điện cực hình tròn (hình 5) Điện trở mặt dải hình vành khăn có đường kính 2r, dày dr nằm cực đo lường cực cao áp xác định theo: dRs   s dr 2r (4) Do đó, điện trở mặt lớp điện môi cực cao áp đo lượng là: d2/2 Rs   dRs  d1 / d2/2  d1 / s  dr d2  s ln (5) 2r 2 d1 Hình 5: Tính điện trở suất mặt điện môi THỰC HÀNH 3.1 Thiết bị, dụng cụ, hóa chất: 3.1.1 Giới thiệu máy đo Sefelec M1500P Máy đo Sefelec M1500P máy đo điện dòng DC với độ xác cao Máy đo hai chế độ: chế độ MEGA (Mo) dùng để đo điện trở chế độ PICO(Pi) dùng để đo dòng điện Thông số máy đo tham khảo thêm phần phụ lục Hình giới thiệu mặt trước máy Sefelec: MEGOHMMETER Công tắc nguồn Màn hình hiển thị Phiếm đánh giá thông số Nhóm phiếm đặt thông số Đèn báo điện cao áp 6 Cực cao áp (+) Cực thấp áp (-) Cực nối đất 9.Nhóm phiếm chức Hình 6: Mặt trước máy đo Sefelec 3.1.2 Đo thông số điện trơ:û - Để đo thông số điện trở mặt điện trở khối điện môi rắn ta lắp điện cực đo tương ứng hình hình cho trường hợp - Bật công tắc nguồn, chọn chế độ đo MEGA (  ) để đo điện trở - Dùng phiếm chức nhóm phiếm đặt thông số để đặt thô ng số cho máy đo (chỉ set giá trị áp thời gian đo) Dùng phiếm VALID để enter giá trị đặt cho máy - Nhấn phiếm chọn MEAS để đo - Đọc ghi lại giá trị hình - Tắt máy, lắp lại điện cực đo cần thiết 3.1.3 Những điểm cần lưu ý đo điện trở suất Cần đảm bảo tiếp xúc tốt điện cực điện môi Đặt vào vị trí đảm bảo đồng tâm điện cực Không để điện cực chạm nhau, xảy ngắn mạch điện cực làm hỏng đồng hồ đo linh kiện máy đo 3 Vì điện trở mẫu điện môi phụ thuộc vào thời gian đo nên tuỳ thuộc vào loại điện môi mà thời gian đo khác Thông thường 30 s Nếu giá trị chưa ổn định phải đặt thời gian lớn Trong trình máy đo, tuyệt đối không chạm vào điện cực (điện cao lên 1500V) nên nguy hiểm 3.2 CÁCH TIẾN HÀNH: 3.2.1 Đo điện trở khối mẫu vật liệu - Ghi lại loại mẫu - Đo thông số chiều dày mẫu - Lắp đặt mạch đo tương ứng - Đo ghi lại kết ứng với điện thế: 10 V, 50 V, 100 V, 200V, 300V ….1200V Phải đặt thời gian đo cho mẫu ổn định Từ số liệu đo được, sử dụng công thức biết tính toán giá trị điện trở suất khối Xây dựng đường đặc tính Rv = f (U) ρv = f (U) biểu diễn mối quan hệ đồ thị 3.2.2 Đo điện trở mặt mẫu vật liệu Tương tự trường hợp đo điện trở suất khối, ta xây dựng đặc tính Rs = f(U) ρs = f(U).Vẽ đồ thị 3.2.3 Xác định quan hệ điện trở mẫu điện môi theo thời gian tác dụng của điện áp đặt R = f(t) - Lắp đặt mạch đo điện trở suất khối - Đặt thời gian đo 200 s - Tiến hành đo với mức điện U1 = 10 V, U1 = 200V , U3 = 1000V - Đọc nhanh giá trị điện trở 0s , 10 s , 20 s… 200 s - Ghi lại giá trị vẽ đồ thị đường R = f(t) ( Tuy nhiên hình hiển thị nhanh nên để thuận tiện giá trị R đọc vàhiển thị lên hình máy tính) 3.2.4 Xây dựng đường đặc tuyến Von – Ampe vật liệu Đường đặc tuyến V – A cho phép ta đánh giá tính chất điện điện môi Trong thí nghiệm ta khảo sát đường đặc tuyến Von – Ampe dòng Iv dòng I s Để xây dựng đường đặc tuyến (Iv – U )ta sau: - Lắp điện cực đo dòng điện khối ( tương tự đo điện trở khối) - Bật công tắt đo - Chọn chế độ đo PICO (Pi) - Đặt thời gian đo 30 s Thời gian thay đổi để tiết kiệm thời gian đo, tuỳ thuộc vào loại vật liệu cho đảm bảo tính ổn định vật liệu - Đo điện áp U= 10 V , 50 V, 100 V, 200V ,… , 1200V - Ghi lại giá trị biểu diễn lên đồ thị BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM - Bài báo cáo phải làm theo mẫu quy định - Bài viết đánh máy khổ A4, cỡ chữ 13, font VNI- Times - Trình bày bảng kết thí nghiệm - Phần vẽ đồ thị vẽ tay giấy kẻ li hay vẽ máy - Trả lời tất câu hỏi có thí nghiệm - Mỗi sinh viên phải tự làm nộp báo cáo Không Copy hay chép, có điểm TN ½ số điểm CÂU HỎI Sinh viên phải trả lời câu hỏi sau phần báo cáo kết thí nghiệm Nhận xét đường đặc tính phần báo cáo So sánh rút kết luận tính chất loại điện môi? Tại điện trở vật liệu điện môi lại phụ thuộc vào thời gian đo? Tại điện trở suất kim loại lại gần không đổi Những ý đặt mẫu vào điện cực đo để đảm bảo độ xác phép đo? Tại công thức tính điện trở suất khối ta phải dùng dtb = (d1+ d2)/2 mà không dùng d1? TÀI LIỆU THAM KHẢO Hướng dẫn thí nghiệm Vật liệu điện – điện tử Vật liệu điện điện tử Hồ Văn Nhật Chương Dương Vũ Văn Operation Manual Sefelec M1500P PHỤ LỤC Đặc tính kỹ thuật máy đo Sefelec.( Phần tiếng Anh) ... định điện trở suất khối điện môi theo công thức (3) 2.2 Tính toán điện trở suất mặt Ta bố trí điện cực để đo điện trở mặt vật liệu điện môi hình Hình 4: Sơ đồ mắc dây đo điện trở suất mặt Để đo điện. ..Rv: điện trở khối điện môi (Ω) G: điện dẫn điện môi (Simen) hay (1/ Ω) Vậy, điện trở lớp cách điện xác định kết hai điện trở mắc song song điện trở mặt điện trở khối Như điện môi rắn tồn... môi rắn tồn hai loại điện trở điện trở mặt điện trở khối Tương ứng với hai loại điện trở điện trở suất khối ρv ( hay điện dẫn suất khối γv ) điện trở suất mặt ρs (hay điện dẫn suất mặt γ s ) Các