Материаловедение. Конструкционные и электротехнические материалы. Материалы и элементы электронной техники

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

И.Л. НОВИКОВ, Р.П. ДИКАРЕВА, Т.С. РОМАНОВА

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

КОНСТРУКЦИОННЫЕ

И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ

ТЕХНИКИ

ПРАКТИКУМ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Учебно-методическое пособие

НОВОСИБИРСК

2010

УДК 621.315.5/.6(076.5)

Н731

Рецензенты:

А.В. Баранов, канд. физ.-мат. наук, доцент;
Б.К. Богомолов, канд. физ.-мат. наук, доцент

Работа подготовлена на кафедре полупроводниковых приборов

и микроэлектроники для студентов II курса ЭМФ и РЭФ

и утверждена Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Новиков И.Л.

Н731
Материаловедение. Конструкционные и электротехнические 

материалы. Материалы и элементы электронной техники . 
Практикум к лабораторным работам : учеб.-метод. пособие / 
И.Л. Новиков, Р.П. Дикарева, Т.С. Романова. – Новосибирск : 
Изд-во НГТУ, 2010. – 56 с.

ISBN 978-5-7782-1479-8

Дано краткое описание работ по исследованию электрических и 

эксплуатационных свойств электроматериалов. Для каждой работы 
приведены краткие теоретические сведения об основных  физических 
процессах, происходящих в исследуемых материалах, дано описание 
лабораторной установки, изложены методы испытаний и обработки 
экспериментальных данных, указаны требования к отчету. В конце 
описания каждой работы приведены контрольные вопросы для самоподготовки студентов.

Пособие предназначено для студентов всех специальностей, вы
полняющих лабораторные работы по курсам «Радиоматериалы и 
компоненты», «Электротехнические и конструкционные материалы» 
и «Материалы и элементы электронной техники».

УДК 621.315.5/.6(076.5)

ISBN 978-5-7782-1479-8
© Новиков И.Л., Дикарева Р.П., 

Романова Т.С., 2010

© Новосибирский государственный 

технический университет, 2010

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОЧНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение электрической прочности газообразных  и жидких ди
электриков.

1. Исследовать зависимость пробивного напряжения Uпр и электри
ческой прочности Епр воздуха от расстояния между электродами в однородном и неоднородном электрических полях.

2. Определить электрическую прочность трансформаторного масла 

одним из стандартных методов и дать заключение об его пригодности.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

1. Пробой газов

Под действием электрического поля заряженные частицы (элек
троны, отрицательные и положительные ионы газа) перемещаются в 
направлении поля или против него в зависимости от их знака и приобретают на длине свободного пробега дополнительную к тепловой 
энергию:

W
qE ,                                                (1)

где Е – напряженность электрического поля; q – заряд частицы; λ –
длина свободного пробега.

Если эта энергия становится равной или большей энергии иониза
ции газовых молекул Wи, то при столкновении с молекулой газа происходит ударная ионизация, т. е. расщепление молекулы на электрон и 
положительный ион. Освобожденный «вторичный» электрон под действием поля, в свою очередь, ионизует следующие молекулы газа, 
формируя, таким образом, электронную лавину.

Электронная лавина, достигая анода, интенсивно ионизует газ 

вблизи этого электрода, доводя его концентрацию до критической величины. Положительная ионная лавина начинает продвигаться от анода к катоду, насыщаясь электронами. Полученная плазма, достигая катода, производит генерацию свободных электронов из него. Эти новые 
носители заряда образуют устойчивый ток пробоя по проводящему 
плазменному каналу. 

В однородном поле пробой газа наступает внезапно с образованием 

электрической искры, в неоднородном поле ему предшествует явление 
короны. Пробивное напряжение при однородном поле выше пробивного напряжения в неоднородном поле при прочих равных условиях. 
Кроме того, пробивное напряжение и электрическая прочность газа 
зависят от рода тока, давления и химического состава газа.

2. Пробой жидких диэлектриков

Механизм пробоя и значение электрической прочности диэлектри
ческих жидкостей зависят от степени их очистки.

На величине электрической прочности Епр жидких диэлектриков 

весьма резко сказываются форма электродов и расстояние между ними. Поэтому измерение Епр электротехнических масел проводят в 
стандартном пробойнике – керамическом сосуде с латунными электродами: диаметр 25 мм, радиус закругления краев 2.5 мм, расстояние 
между электродами 2.5 мм.

Поскольку на электрическую прочность жидкого диэлектрика су
щественно влияют газовые включения, подачу напряжения после заливки масла в пробойник можно производить, выждав некоторое время, для того чтобы пузырьки воздуха успели выйти из жидкости. 

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Измерение пробивного напряжения и определение электрической 

прочности воздуха при постоянном напряжении выполняется с помощью генератора постоянного напряжения ГНВ1-01 (рис. 1). Максимальное напряжение, подаваемое на диэлектрик, составляет 20 кВ. 

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Изучение зависимости электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном (шар-шар, плоскость-плоскость) 
и неоднородном (игла-плоскость) электрических полях следует проводить, соблюдая приведенный ниже порядок работы.

1. Отключить генератор напряжения от сети (кнопка 10). Вставить 

электроды плоскость-плоскость в высоковольтную камеру  генератора 
напряжения, открыв верхнюю крышку прибора. С помощью микрометра установить между электродами плоскость-плоскость начальное 
расстояние 0.5 мм, используя риски на его стержне. Нижняя неподвижная шкала микрометра, имея шаг 1 мм, показывает количество 
миллиметров, верхняя часть также имеет шаг 1 мм, но показывает 
среднее расстояние между делениями нижней шкалы, тем самым позволяя точно установить величину 0.5 мм. Шкала на подвижной ручке 
соответствует шагу 0.01 мм; расстояние 0.5 мм – одному полному повороту подвижной ручки микровинта; расстояние 1 мм равняется двум 
полным поворотам ручки микрометра и т. д. Для установки требуемого 
расстояния необходимо электроды привести в легкое касание, после 
чего ручкой микрометра отвести один из них на нужное расстояние, 
повернув ее необходимое число оборотов. 

Рис. 1. Лицевая панель установки ГНВ1

1 – индикатор напряжения; 2 – индикатор перегрузки по току; 3 – индикатор перегрузки по напряжению; 4 – блокировка; 5 – связь с ЭВМ; 6 – кнопка  “+/Пуск”;
7 – кнопка “----”; 8 – кнопка  “Режим”; 9 – кнопка  “Сброс”; 10 – кнопка выключателя

“Сеть”; 11 – Индикатор режима работы

2. Закрыть крышку прибора. 
3. Включить кнопку “Сеть” 10 ( см. рис.1), при этом загорится ин
дикатор напряжения 1 (---), через 20–30 с индикатор покажет (000). 
Прибор готов к работе. Если горит индикатор блокировки 4, то либо 
открыта высоковольтная камера, либо она не установлена. 

4. Кнопкой «Режим» включить автоматический режим измерения. 

Нажмите кнопку «Пуск». Рост напряжения будет происходить автоматически.

5. Следить за индикатором перегрузки по току. При его срабатыва
нии установленное напряжение генератора считается пробивным. Если 
сработал индикатор «Перегрузка по напряжению», необходимо выполнить п. 6 и повторить измерение еще раз.

6. Нажать кнопку «Сброс», выключить прибор, открыть крышку и 

продуть камеру.  

7. Повторить пп. 3–6 три раза. Среднее арифметическое значение 

принимается за пробивное напряжение воздуха при данном расстоянии 
между электродами. 

8. Меняя расстояние между электродами, измерить пробивное на
пряжение и определить электрическую прочность воздуха при расстояниях 0.5, 1, 1.5, 2 мм. При смене расстояния обязательно кнопкой «Сеть» отключать установку от сети.

9. Вставить в камеру электроды игла-плоскость и повторить пп. 1–8. 

10. Вставить электроды шар-шар и повторить пп. 1–8.
11. Результаты испытаний свести в табл. 1. Построить графики зави
симости Uпр = f(h) и Епр = f(h) для трех типов электродов.

Обработку результатов выполнять в пакете MS Excel или Origin. 

Снятые с прибора данные занести в таблицы и рассчитать параметры. 
Графики зависимости Uпр = f(h) и Епр = f(h) для трех типов электродов 
аппроксимировать с помощью линейной функции и В-Spline функции 
(для нелинейной зависимости). Вставить графики в отчет, заполнить 
таблицы данных. Сохранить файл обработки (файл пакета ORIGIN
(OPJ) или MS Excel) и отчет с именем: <Фамилия И.О.>_5. Рабочая 
папка: D:/МиЭЭТ/<Номер группы>.

Т а б л и ц а  1

№
п/п

Расстояние 
между электродами, мм

Электроды

Uпр, кВ
Епр, В/м
1
2
3
среднее

1
2
3
4

0.5
1
1.5
2