Лабник

а)

б)

Рис. 3. Измерительное (а) и высоковольтное (б) устройства пробивной установки

3.Сверху на высоковольтном устройстве расположена измерительная головка 1 для измерения толщины образца с ручкой 7 коррекции нуля установки и рычагом 2 перемещения подвижного стержня. Внутри высоковольтного устройства расположены измерительная камера, в которую введен подвижный стержень 3 измерительной головки. На стержне расположены испытательные электроды 4 и 5 четырех типоразмеров, которые меняются посредством вращения. Электроды измерительного стержня электрически соединены с корпусом (общим проводом) высоковольтного устройства и клеммой защиты вмонтированным электродом 6, на который подается положительный испытательный потенциал.

Внутри измерительной камеры расположено устройство крепления испытуемого образца, которое состоит из прижимной планки 10 и прижимных винтов 9, и две стойки 8 с винтами предварительной установки нуля измерительной головки. Измерительная камера снаружи закрыта прозрачным защитным щитком 11. Щиток при открывании блокирует электропитание измерительного и высоковольтного устройства за счет срабатывания вмонтированного в измерительный блок концевого выключателя.

4.Устройство измерительное служит для измерения и индикации испытательного напряжения, а также для управления работой устройства высоковольтного.

Вустройстве размещены источники питания, необходимые для работы самого устройства измерительного и для работы устройства высоковольтного, генератор медленно нарастающего напряжения, которое управляет преобразователем напряжения в устройстве высоковольтном, устройство выборки и хранения, необходимое для фиксации напряжения пробоя, схема управления и аналого-цифровой преобразователь.

5.Устройство высоковольтное служит для получения высокого напряжения, измерения толщины испытуемых тонких пленок с помощью измерительной головки, а так же как защитная камера для проведения экспериментов.

Вустройстве высоковольтном размещены преобразователь напряжения, высоковольтный делитель напряжения и система блокировки, состоящая из двух концевых переключателей: один для блокировки сети, другой для блокировки генерации генератора в преобразователе напряжения.

34

Рабочее задание

1.Изучите экспериментальную установку (измерительное и высоковольтное устройство испытательного стенда);

указания по мерам безопасности; подготовку стенда к работе и порядок работы.

2.Снимите зависимость Uпр пакета конденсаторной бумаги, пропитанной маслом, от толщины пакета (h) для следующих систем электродов: 1) сфера малого радиуса против плоскости; 2) сфера большого радиуса против плоскости; 3) плоскость против плоскости; 4) острие против плоскости.

Толщину пакета изменяйте в пределах, указанных преподавателем (обычно для конденсаторной бумаги с толщиной одного листа около 10 мкм рекомендуется число листов изменять в пределах от 2 до 12 с шагом 2 листа). При каждой толщине пакета проводить по 5 пробоев.

3.По результатам, полученным в п. 2, постройте в одной системе

координат зависимости Uпр = f1(h) и Епр = f2(h), где значения Uпр выражены в кВ, Епр в кВ/мм, h — в мм.

4.Для системы «цилиндр с закругленным краем против плоско-

сти» определите 50 значений Uпр пакета из 6 листов конденсаторной бумаги (по указанию преподавателя аналогичное задание выполняется для трех других систем электродов).

5.Используя стандартные методики, вычислите и проанализируйте статистические параметры процесса пробоя и гистограммы пробивных напряжений композиционного диэлектрика при разных формах электродов.

6.Сформулируйте письменные выводы по результатам работы.

Порядок проведения работы

Меры безопасности

1.Перед началом работы со стендом необходимо убедиться, что высоковольтное и измерительное устройства заземлены. Для этого нужно проверить надежность защитного заземления на задних панелях приборов.

2.В установке имеется опасное для жизни напряжение, поэтому во время работы следует строго соблюдать соответствующие меры безопасности. Перед включением в сеть нужно убедиться в наличии защитного заземления, исправности сетевого соединительного шнура, исправности и надежности блокировки и изоляции.

35

3.Стенд не должен подвергаться воздействию капель или брызг каких-либо жидкостей. Никакие емкости с жидкостями не должны устанавливаться на изделии.

4.Не допускается перекрывание вентиляционных отверстий, находящихся на крышке корпуса измерительного устройства.

Подготовка стенда к работе

1.На подвижном стержне измерительной головки в высоковольтном устройстве отпустите крепежный винт и путем вращения установите вертикально вниз один из четырех испытательных электродов 4, 5 (рис. 2, б), закрутите крепежный винт.

2.Произведите грубую установку нуля головки измерительного блока путем вращения регулировочных винтов 8, расположенных на опорных стойках измерительной камеры (рис. 2, б).

3.Опустите защитный щиток измерительного блока и произведите точную установку нуля измерительной головки путем вращения ручки коррекции 7.

4.Включите шнур питания в сеть 50 Гц, 220 В, переведите сетевой выключатель 25 (рис. 2, а) измерительного устройства в положение “Включено”. При этом индикатор выходного напряжения 15 должен светиться и показывать нулевые значения всех трех цифровых разрядов.

5.Проверьте работу блокировки питания высоковольтного блока защитным щитком измерительного блока, для чего поднимите вверх защитный щиток 11 (рис. 2, б). При этом индикаторы выходного напряжения высоковольтного блока должны погаснуть. Опустите вниз

защитный щиток индикаторы высоковольтного блока должны засветиться.

6. Подготовьте образец диэлектрического материала к испытаниям. Для испытания используйте образцы прямоугольной или круглой формы. Отсутствие поверхностного пробоя и искажения результатов испытаний гарантируется во всем диапазоне испытательного напряжения при расстоянии между соседними точками пробоя или точкой пробоя и краем образца не менее 45 мм.

Выполнение работы

1. Выключите питание стенда с помощью сетевого переключателя 25 (рис. 2, б) измерительного устройства.

36

2.Плавно поднимите защитный щиток высоковольтного устрой-

ства.

3.Вращением винтов 9 поднимите прижимную планку устройства крепления образца 10.

4.Легким нажимом на боковой рычаг 2 (рис. 2, б) поднимите подвижный стержень вверх и введите между электродом и столом измерительной камеры испытуемый образец, после чего плавно отпустите боковой рычаг головки.

5.Вращением винтов опустите прижимную планку устройства крепления образца.

6.Плавно опустите защитный щиток высоковольтного устройства.

7.Зафиксируйте значение толщины образца по показаниям индикатора измерительной головки.

8.Включите питание стенда с помощью сетевого выключателя измерительного устройства.

9.Нажмите и отпустите кнопку “ПУСК” измерительного устройства. При этом на цифровом индикаторе будут отображаться значения линейно нарастающего испытательного напряжения и будет светиться соответствующий светодиод.

10.При возникновении пробоя (начинает мигать светодиод “ПРОБОЙ” и срабатывает звуковая сигнализация) зафиксируйте показания цифрового индикатора (гарантированное время фиксации значения напряжения пробоя 5 с).

Внимание! Для предотвращения преждевременного выхода стенда из строя, при достижении значения испытательного напряжения 25 кВ и отсутствии пробоя образца необходимо нажать на кнопку “СБРОС”.

11.Нажмите и отпустите кнопку “СБРОС” высоковольтного блока. При этом показания цифрового индикатора обнуляются и будет светиться светодиод “СБРОС”.

12.Выключите питание стенда с помощью сетевого выключателя измерительного устройства.

13.Плавно поднимите защитный щиток устройства высоковольт-

ного.

14.Вращением винтов поднимите прижимную планку устройства крепления образца.

15.Легким нажимом на боковой рычаг измерительной головки поднимите подвижный стержень вверх и сместите испытуемый образец для получения новой точки пробоя.

37

16.Повторите последовательно операции согласно пп. 5—15. Образец может подвергаться пробою в нескольких точках с учетом требований п. 6 разд. «Подготовка стенда к работе».

17.При необходимости смены испытательного электрода повторите операции по пп. 1—3 настоящего раздела.

18.По окончании работы стенд должен быть отключен от питающей сети, текущий испытательный электрод 4, 5 должен касаться электрода 6 (рис. 2, б), (между ними не должно быть образца), а защитный щиток опущен вниз.

Обработка результатов измерений

Для статистической оценки совокупности значений Uпр предусматривается расчет следующих величин статистических параметров: разброс значений среднего арифметического, дисперсии, среднеквадратического отклонения, коэффициента вариации и асимметрии, эксцесса и контрэксцесса, 90%-ного доверительного интервала. Для расчета таких параметров и гистограмм рекомендуется использовать стандартные программы, например EXCEL или др.

Контрольные вопросы

1.Охарактеризуйте физические основы явления пробоя твердых диэлектриков и основные признаки электротеплового и электрического пробоев.

2.Каковы особенности пробоя композиционных (слоистых) диэлектриков?

3.Почему явление пробоя диэлектриков носит статистический характер?

Список литературы

1.Борисова М. А., Койков С.Н. Физика диэлектриков.— Л.: Изд-во Ленингр.

ун-та, 1979. — 240 с.

2.Воробьев А.С. Физика диэлектрических материалов. Лабораторный практикум. — М.: Издaтельство МЭИ, 2002. — 96 с.

3.Бородулин В.Н. Диэлектрики: Конспект лекций. — М.: Издaтельство МЭИ, 1993. — 60 с.

4.Электротехническое материаловедение: Лабораторные работы / В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.В. Серебрянников, В.П. Чепарин. — М.: Издaтельство МЭИ, 2001.— 80 с.

5.Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. — М.: Высш. школа, 2007. — 535с.

6.Харитонов Е.В. Диэлектрические материалы с неоднородной структурой.

—М.: Радио и связь, 1983. — 128 с.

7.Окадзаки К. Технология керамических диэлектриков: пер. с яп. — М.:

Энергия, 1976. — 336 с.

38

Лабораторная работа № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ПРОВОДНИКОВЫХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы — овладение методикой измерения температурных зависимостей электрического сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов и обработка результатов измерений.

Общие положения

Электропроводность проводниковых материалов

Из проводниковых материалов — твердых тел, жидкостей и газов — в электротехнике наиболее часто применяют металлы и сплавы.

Металлы можно рассматривать как совокупность положительно заряженных ионных остовов с большими промежутками между ионами, заполненными «электронным газам» таким образом, чтобы на макроскопическом уровне система оставалась электронейтральной. Отсюда тип электропроводности металлических проводников — электронный (металлический), и они являются проводниками первого рода.

Наличие свободных делокализованных электронов обусловливает высокую пластичность, характерный блеск металлов, высокую электро- и теплопроводность.

Электроны с тепловой скоростью vT около 105 м/с, под действием

электрического поля приобретают некоторую добавочную скорость направленного движения (несколько миллиметров в секунду), т.е. электрический ток.

В металлах в изотермических условиях хорошо выполняется закон Ома, который часто записывают в виде

J = .E,

где удельная проводимость , Ом–1 м–1, связывает плотность тока J,

А/м , с напряженностью электрического поля Е, В/м.

Плотность тока J связана с напряженностью электрического поля Е вышеприведенной формулой, известной как закон Ома в дифференциальной форме. Удельное сопротивление

39

1

измеряется в Ом м или во внесистемных единицах Ом мм2/м. Пред-

почтительнее пользоваться производными единицами СИ — мкОм м

Связь между единицами удельного сопротивления: 1 Ом м = 106мкОм м = 106Ом мм2/м .

Согласно классической теории металлов:

e2n l , 2mvT

где e — заряд электрона; n — концентрация свободных электронов; l — средняя длина свободного пробега между двумя соударениями с узлами решетки; m — масса электрона; vT — средняя скорость теп-

лового движения электрона.

Основные недостатки классической теории исходят не столько из представлений о существовании в металлах свободных электронов, сколько от применения к ним законов статистики Максвелла— Больцмана, согласно которой распределение электронов по энергетическим состояниям описывается экспоненциальной функцией вида, когда в каждом энергетическом состоянии может находиться любое число электронов:

F(W ) ~ Ae W /(kT ) ,

где k — постоянная Больцмана; W — энергия уровня, вероятность заполнения которого определяется.

Квантовая статистика базируется на принципе Паули, согласно которому в каждом энергетическом состоянии может находиться только один электрон. Отсюда сразу вытекает различие классического и квантового распределений электронов по энергиям. С классической точки зрения энергия всех электронов при температуре абсолютного нуля должна равняться нулю. А по принципу Паули даже при абсолютном нуле число электронов на каждом уровне не может превышать двух. И если общее число свободных электронов в кристалле равно n, то при 0 К они займут n/2 наиболее низких энергетических уровней.

В квантовой теории вероятность заполнения энергетических состояний электронами определяется функцией Ферми:

40

F(W ) 1 e(W WF )/(kT ) 1 ,

где WF — энергия характеристического уровня, относительно которого кривая вероятности симметрична. При Т = 0 К функция Ферми обладает следующими свойствами: F(W) = 1, если W < WF, и F(W) = 0, если W > WF.

Таким образом, величина WF определяет максимальное значение энергии, которую может иметь электрон в металле при температуре абсолютного нуля. Эту характеристическую энергию называют энергией Ферми или уровнем Ферми. Соответствующий ей потенциал

F = WF /e называют электрохимическим потенциалом. Следует отметить, что энергия WF не зависит от объема кристалла, а определяется только концентрацией свободных электронов, что непосредственно вытекает из принципа Паули. Поскольку концентрация свободных электронов в металле велика, энергия Ферми также оказывается высокой и в типичных случаях составляет 3—15 эВ.

При нагревании кристалла электронам сообщается тепловая энергия порядка kT. За счет этого возбуждения некоторые электроны, находящиеся вблизи уровня Ферми, начинают заполнять состояния с более высокой энергией: график функции распределения становится несколько пологим. Однако избыток энергии, получаемой электронами за счет теплового движения, очень незначителен по сравнению с WF и составляет всего несколько сотых долей электрон-вольта. Поэтому характер распределения электронов по энергиям также изменяется очень незначительно: средняя энергия электронов практически остается без изменения. Незначительное изменение средней энергии при изменении температуры означает малую теплоемкость электронного газа, значение которой по статистике Ферми—Дирака при обычных температурах получается в 50—70 раз меньше, чем по классической теории. В этом заключено разрешение противоречия между малой теплоемкостью и высокой проводимостью электронного газа в металлах.

При любой температуре для уровня с энергией W = WF вероятность заполнения электронами равна 0,5. Все уровни, расположенные ниже уровня Ферми, с вероятностью больше 0,5 заполнены электронами. Наоборот, все уровни, лежащие выше уровня Ферми, с вероятностью более 0,5 свободны от электронов.

41

Рис. 1. Зависимость удельного сопротивления металла от температуры:

Ткр — температура перехода для некоторых материалов в сверхпроводящее состояние

У металлов, не обладающих сверхпроводимостью, при низких температурах из-за наличия примесей наблюдается область 1 — область остаточного сопротивления, почти не зависящая от температу-

ры (рис. 1). Остаточное сопротивление ост тем меньше, чем чище металл.

Быстрый рост удельного сопротивления при низких температурах до температуры Дебая Д может быть объяснен возбуждением новых частот тепловых колебаний решетки, при которых происходит рассеяние носителей заряда — область 2.

При Т > Д, когда спектр колебаний возбужден полностью, увеличение амплитуды колебаний с ростом температуры приводит к линейному росту сопротивления примерно до температуры плавления

Тпл — область 3. При нарушении периодичности структуры электрон испытывает рассеяние, приводящее к изменению направления движения, конечным длинам свободного пробега и проводимости металла. Энергия электронов проводимости в металлах составляет 3—15 эВ, что соответствует длинам волн 3—7 Å. Любые нарушения периодичности, обусловленные примесями, дефектами, поверхностью кристалла или тепловыми колебаниями атомов (фононами), вызывают рост удельного сопротивления металла.

Важной характеристикой металлов является температурный ко-

эффициент удельного электрического сопротивления, показывающий относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один кельвин (градус):

42