Удельные объёмное и поверхностное сопротивления твердых диэлектриков - это величины, характеризующие способность материалов препятствовать прохождению электрического тока через их объем и поверхность соответственно.
Они зависят от многих факторов, таких как температура, влажность, чистота, структура и состояние поверхности материала. Удельные сопротивления измеряются в разных единицах: удельное объемное сопротивление имеет размерность Ом х м, а удельное поверхностное сопротивление - Ом.
Рассматривая образец из твердого диэлектрика, можно выделить два принципиально возможных пути для протекания электрического тока: по поверхности данного диэлектрика и через его объем. С этой точки зрения можно оценить способность диэлектрика проводить электрический ток в данных направлениях, применив понятия поверхностного и объемного сопротивлений.
Объемное сопротивление — это сопротивление, которое проявляет диэлектрик при протекании постоянного тока через его объем.
Поверхностное сопротивление — это сопротивление, которое проявляет диэлектрик при протекании постоянного тока по его поверхности. И поверхностное, и объемное сопротивление - определяются экспериментальным путем.
Величина удельного объемного сопротивления диэлектрика численно равна сопротивлению куба, изготовленного из данного диэлектрика, ребро которого имеет длину 1 метр, при условии протекания постоянного тока через две его противоположные грани.
Желая измерить объемное сопротивление диэлектрика, экспериментатор наклеивает на противоположные грани кубического образца диэлектрика металлические электроды.
Площадь электродов принимается равной S, а толщина образца — h. Электроды в эксперименте устанавливаются внутри охранных металлических колец, которые обязательно заземляются, чтобы устранить влияние поверхностных токов на точность проводимых измерений.
Когда электроды и охранные кольца установлены с соблюдением всех надлежащих условий эксперимента, на электроды подают постоянное напряжение U с калиброванного источника постоянного напряжения, и выдерживают так на протяжении 3 минут, чтобы в образце диэлектрика наверняка завершились процессы поляризации.
После этого, не отключая источник постоянного напряжения, измеряют напряжение и сквозной ток при помощи вольтметра и микроамперметра. Далее рассчитывают объемное сопротивление диэлектрического образца по следующей формуле:
Объемное сопротивление измеряется в омах.
Поскольку площадь электродов известна, она равна S, толщина диэлектрика также известна, она равна h, и объемное сопротивление Rv только что было измерено, то теперь можно найти удельное объемное сопротивление диэлектрика (оно измеряется в Ом*м) по следующей формуле:
Чтобы найти удельное поверхностное сопротивление диэлектрика, сначала находят поверхностное сопротивление конкретного образца. Для этого на образец наклеивают два металлических электрода длиной l на расстоянии d между ними.
После этого на приклеенные электроды подают постоянное напряжение U от источника постоянного напряжения, выдерживают так 3 минуты чтобы процессы поляризации в образце наверняка завершились, и измеряют напряжение при помощи вольтметра, и ток - при помощи амперметра.
Наконец, рассчитывают поверхностное сопротивление в омах по формуле:
Теперь для нахождения удельного поверхностного сопротивления диэлектрика необходимо исходить из того, что оно численно равно поверхностному сопротивлению квадратной поверхности данного материала, если ток протекает между электродами, установленными на сторонах этого квадрата. Тогда удельное поверхностное сопротивление будет равно:
Удельное поверхностное сопротивление измеряется в омах.
Удельное поверхностное сопротивление диэлектрика является характеристикой диэлектрического материала и зависит от химического состава диэлектрика, его текущей температуры, влажности и от напряжения, которое приложено к его поверхности.
Сухость поверхности диэлектрика играет огромную роль. Тончайшего слоя воды на поверхности образца достаточно чтобы проявилась заметная проводимость, которая будет зависеть от толщины данного слоя.
Поверхностная проводимость в основном обусловлена наличием загрязнений, дефектов и влаги на поверхности диэлектрика. Пористые и полярные диэлектрики подвержены увлажнению больше других. Удельное поверхностное сопротивление таких материалов связано с величиной твердости и краевого угла смачивания диэлектрика.
Ниже приведена таблица, из которой очевидно, что более твердые диэлектрики с меньшим краевым углом смачивания обладают меньшим удельным поверхностным сопротивлением в увлажненном состоянии. С данной точки зрения диэлектрики подразделяются на гидрофобные и гидрофильные.
Гидрофобными являются неполярные диэлектрики, которые при чистой поверхности не смачиваются водой. По этой причине даже если поместить такой диэлектрик во влажную среду, то его поверхностное сопротивление практически не поменяется.
Гидрофильными являются полярные и большинство ионных диэлектриков, обладающие смачиваемостью. Если поместить гидрофильный диэлектрик во влажную среду, то его поверхностное сопротивление уменьшится. Тут же ко влажной поверхности легко прилипнут разнообразные загрязнения, которые также могут способствовать снижению поверхностного сопротивления. Примером гидрофобного диэлектрика является полиэтилен.
Есть и промежуточные диэлектрики, к ним относятся слабополярные материалы, такие как лавсан, поливинилхлорид, полистирол и др.
Слабополярные диэлектрики имеют небольшую разность электрических потенциалов между атомами или молекулами, поэтому они слабо реагируют на внешнее электрическое поле.
Их поверхностное сопротивление зависит от степени их поляризации, которая может изменяться под воздействием влажности, температуры, давления и других факторов.
Слабополярные диэлектрики обладают средней смачиваемостью и могут впитывать воду в небольшом количестве. Они также могут быть подвержены старению и деградации под влиянием окружающей среды.
Если увлажненную изоляцию нагреть, то ее поверхностное сопротивление может начать расти с повышением температуры. Когда изоляция высохнет — сопротивление может уменьшиться. Низкие температуры способствуют увеличению поверхностного сопротивления диэлектрика в высушенном состоянии на 6-7 порядков, если сравнивать с тем же материалом, только увлажненным.
Чтобы повысить поверхностное сопротивление диэлектрика, прибегают к разнообразным технологическим приемам. Например, образец можно промыть в растворителе или в кипящей дистиллированной воде, в зависимости от вида диэлектрика, либо прогреть до достаточно высокой температуры, покрыть поверхность влагостойким лаком, глазурью, поместить в защитную оболочку, корпус и т. п.
Андрей Повный